山東廣播電視臺：于兵 徐洋 楊山葉

衛(wèi)星通信具有傳輸容量大、通信距離遠、信號覆蓋廣、安全可靠性高的特點，在電信、廣播電視、航天、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。由于衛(wèi)星通信的特點，需要在發(fā)射和接收站點使用大口徑拋物面天線，會受到雨雪、冰凍、日凌等天氣和自然環(huán)境因素的影響，對衛(wèi)星通信信號產(chǎn)生干擾，甚至造成通信信號中斷、廣播電視節(jié)目停播等重大安全事故發(fā)生。

1.降雪對衛(wèi)星通信的影響和危害

當冬季來臨時，冰雪覆蓋在衛(wèi)星通信拋物面天線表面和饋源喇叭口上面，不僅增加天線載荷，產(chǎn)生的雪衰會使得信號傳輸質(zhì)量降低，嚴重時會造成通信中斷。而當化雪時，由于天線表面積雪融化速度不均勻，使得拋物面天線口面形狀發(fā)生變化，反射面的實際反射效率顯著降低，電磁波經(jīng)反射后出現(xiàn)不規(guī)則的相位變化使方向圖產(chǎn)生畸變。特別是融化的雪塊在天線表面滑動時，會對收發(fā)信號產(chǎn)生極大的干擾。

我國疆域遼闊，不同地區(qū)氣候和地理環(huán)境差異很大，冬季降雪不僅會給北方地區(qū)的衛(wèi)星通信帶來了影響，對長江中下游廣大地區(qū)甚至華南地區(qū)同樣帶來危害。2008年我國南方就遭遇了罕見的雨雪冰凍災害天氣，給該地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施造成了巨大的破壞，對衛(wèi)星通信產(chǎn)生了嚴重影響。

2.衛(wèi)星天線的除雪方式

對于衛(wèi)星天線的除雪一般分為人工除雪和自動除雪兩種方式。

人工除雪包括人工清掃和人工沖水，兩種操作完全依靠人力，費工費時低效，低溫、濕滑外加高空作業(yè)，操作稍有不慎就會對人身安全造成傷害。如果遇到持續(xù)降雪或夜間降雪，對人力的消耗是巨大的。

自動除雪分為自動噴水除雪和電熱除雪。噴水除雪的效果還可以，需要在天線口面外延周圈敷設(shè)供水管線并安裝特殊的噴水裝置，在降雪開始時及時打開供水截門對天線口面進行噴淋；缺點是降雪時需要持續(xù)噴淋，用水量很大，天線下方地面需要排水良好，防止積水凍結(jié)，供水管線要有防凍和排空裝置，在高緯度嚴寒地區(qū)并不是非常適用。電熱除雪是通過給天線安裝電力加熱裝置提升天線反射面的溫度使冰雪融化，其優(yōu)點是除雪效果好，無需人工干預，可實現(xiàn)自動化運行和遠程監(jiān)控；缺點是加熱功率較大，對供電負荷要求較高，特別是在多面天線需要同時除雪時。

近年來，電熱除雪因其快捷高效的除雪效果和全自動操作方式逐漸被廣大衛(wèi)星通信用戶所接受，在各行業(yè)衛(wèi)星通信站點得到廣泛應用。

3.電熱除雪系統(tǒng)的選型

常見的電熱除雪裝置分為兩種：熱風式和加熱片式。

3.1 熱風式除雪系統(tǒng)

熱風式除雪裝置主要由暖風機、保溫材料、溫度和雨雪傳感器、除雪控制系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)天線主面除雪、饋源口面除雪和吹雨，通過安裝在主反射面面板上溫度和雨雪傳感器可實現(xiàn)全自動除雪操作。

除雪裝置控制系統(tǒng)分為室外單元和室內(nèi)單元兩部分。室外單元為功率模塊，主要完成加熱裝置和風機的控制。室內(nèi)單元主要完成溫度和濕度的信息采集和顯示，可手動或自動控制室外單元工作，提供RS422串口實現(xiàn)遠程控制。

除雪裝置的工作原理是，將天線的反射體背面用保溫材料包裹起來，天線主反射面板縫隙進行密封處理，使天線主反射面板、中心體和骨架外側(cè)與保溫材料形成一個封閉的空間。通過暖風機對內(nèi)部空氣進行加熱，提升天線反射面板的溫度，從而達到去除天線反射面冰雪的目的。饋源喇叭也安裝了熱風噴嘴，加熱的空氣吹向喇叭口面，可將喇叭口面上的冰雪融化并將密封薄膜上的水珠吹掉，以保證通信正常運行。

在方案設(shè)計時，綜合考慮天線表面積雪的分布特點，以及內(nèi)部空間熱氣流的循環(huán)方向，采用了多只暖風機分布式安裝的方法，可均勻提高天線口面溫度，避免了反射面局部高溫產(chǎn)生變形，影響天線精度。

除雪裝置有手動和自動兩種工作模式。自動狀態(tài)時，當傳感器檢測到有降雪且溫度低于設(shè)定值時，暖風機開始工作，對主面和饋源口面除雪；若溫度高于設(shè)定值，則對饋源口面進行吹雨操作。手動狀態(tài)時，可手動控制主面除雪和饋源口面除雪操作，只要給加電指令暖風機立即開始工作。

3.2 加熱片式除雪系統(tǒng)

加熱片式除雪系統(tǒng)由控制器、加熱組件、溫度探頭、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、遠程監(jiān)控軟件組成，通過在天線背面金屬面板上直接貼敷電熱片方式給天線進行加熱，達到消除天線反射面積雪的目的。電加熱材料外面覆蓋保溫層以提高系統(tǒng)工作效率，確保天線表面溫度符合除雪要求。在最外層安裝雙面鋁箔復合板，加強系統(tǒng)防護，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應性和可靠性。

系統(tǒng)對天線反射面溫度、加熱功率、用戶供電負荷等參數(shù)進行自動化控制，高效節(jié)能；多重安全措施既保證了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，又保證了用戶的供電安全；簡潔又人性化的人機交互界面讓用戶操作簡便，系統(tǒng)運行狀態(tài)一目了然。

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，天線和設(shè)備之間可以相互通訊、智能控制，可以進行遠程在線系統(tǒng)升級和維護；可以控制多面天線同時進行加熱除雪，統(tǒng)籌功率分配，減輕供電壓力；采用多級功率控制，軟啟動方式，無沖擊電流。

4.電熱除雪系統(tǒng)的實際應用

經(jīng)過產(chǎn)品調(diào)研、實地考察和綜合對比，結(jié)合山東地球站天線口徑和數(shù)量、配電系統(tǒng)容量以及濟南地區(qū)冬季氣候特點等實際情況，最終我們選擇了加熱片式除雪裝置，實現(xiàn)衛(wèi)星天線的冬季智能化除雪。

4.1 項目組成

本項目由兩面9米上行天線、兩面4.5米接收天線和加熱系統(tǒng)組成，其中加熱系統(tǒng)包含加熱組件、溫度探頭、本地控制柜和遠程客戶端。加熱組件采用硅膠自粘電加熱材料，發(fā)熱效率高，絕緣性能好，可直接粘貼于天線反射體背面，熱傳導效果優(yōu)異；本地控制柜內(nèi)裝有加熱控制器和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，用戶可通過遠程客戶端監(jiān)控軟件察看整個系統(tǒng)工作狀態(tài)，進行參數(shù)設(shè)置和操作控制。

4.2 工作原理

9米天線根據(jù)其物理形狀分為36個溫區(qū)，進行多區(qū)獨立閉環(huán)控制。每分區(qū)包含1個發(fā)熱單元，使用3個及以上溫度探頭對本區(qū)溫度進行檢測。每個控制器控制5個分區(qū)，整面天線共使用8個控制器，控制器之間使用100Base-T以太網(wǎng)連接。4.5米天線分為12個溫區(qū)，使用3個控制器進行控制。

控制系統(tǒng)依據(jù)天線溫度、功率等參數(shù)對分區(qū)進行加熱。各分區(qū)使用以太網(wǎng)連接，共享使用類似LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)的共享數(shù)據(jù)庫。各分區(qū)關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議，狀態(tài)數(shù)據(jù)使用UDP協(xié)議，以減輕網(wǎng)絡(luò)負擔。

4.3 電力分配

根據(jù)我站配電系統(tǒng)總?cè)萘亢蜐鲜袣v史氣象數(shù)據(jù)合理規(guī)劃除雪裝置供電功率，設(shè)置9米天線最大加熱功率為40kw，4.5米天線最大加熱功率為10kw，合計100kw，電力分配如圖1所示。加熱除雪系統(tǒng)為今后系統(tǒng)擴容保留了功率余量。

圖1 ：電力分配示意圖

4.4 工作模式

系統(tǒng)有4種工作模式：恒溫模式、功率限制模式、自動模式、應急模式。

恒溫模式。設(shè)置天線表面溫度后，各分區(qū)對加熱功率進行控制使天線表面溫度保持在設(shè)定溫度±1℃內(nèi)。此模式天線表面溫度穩(wěn)定，在惡劣天氣狀況下能保證天線表面無積雪，缺點是使用功率較大（實際功率由使用環(huán)境決定，一般不大于設(shè)計功率的35%）。

功率限制模式。由于部分現(xiàn)場條件限制，無法提供恒溫模式所需功率。系統(tǒng)根據(jù)“供電區(qū)域”限定功率，自由分配天線加熱分區(qū)進行輪巡加熱。分區(qū)申請到功率后對該區(qū)域進行加熱，溫度達到設(shè)定值（2℃）停止加熱，釋放的功率由其它分區(qū)繼續(xù)進行申請。該模式使用功率小，但天線表面溫度不均勻，可能部分分區(qū)會短時出現(xiàn)積雪。

自動模式。結(jié)合恒溫模式和功率限制模式的優(yōu)點，在非惡劣天氣下工作在恒溫模式，保證天線表面溫度穩(wěn)定。在極端惡劣天氣下，由于功率超過“供電區(qū)域”設(shè)定的功率，自動切換到功率限制模式，保證天線正常工作。

應急模式。在本地控制器上裝有物理開關(guān),當網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障無法進行遠程控制時，可以手動切換至強制加熱位置進行脫機運行。

4.5 軟件界面

遠程監(jiān)控軟件顯示和操作界面如圖2所示。

圖2 ：軟件顯示界面

主窗口為天線正面的模擬圖，每一個小塊為一個物理分區(qū)，鼠標放到每一個分區(qū)上,可顯示該分區(qū)的實時信息；左上角是操作菜單欄，可以選擇天線的顯示模式，設(shè)置天線加熱的各種參數(shù)，控制天線加熱的啟動和停止；右側(cè)狀態(tài)欄，顯示當前使用天線的電壓、電流、功率、溫度等基本參數(shù)；底邊欄顯示通信狀態(tài)、每面天線加熱功率和系統(tǒng)總功率。

界面中天線每個分區(qū)根據(jù)設(shè)定溫度顯示不同顏色，綠色表示和設(shè)定溫度接近，暖色系表示分區(qū)溫度高于設(shè)定溫度，冷色系表示分區(qū)溫度低于設(shè)定溫度。

4.6 系統(tǒng)優(yōu)勢

系統(tǒng)采用分布式設(shè)計，任意設(shè)備損壞不影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。使用變頻技術(shù)，提高天線加熱效率，降低溫度漂移。根據(jù)天線的熱傳導特性科學設(shè)計，大幅提升系統(tǒng)加熱效率，比傳統(tǒng)除雪方式省電30%以上，在供電不足的情況下也可以保證天線正常工作。

恒溫模式下，天線反射面溫度穩(wěn)定度高，溫飄小于1℃。功率限制模式下，使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，自動判斷天線狀態(tài)，自動進行溫區(qū)加熱。應急模式下，15分鐘內(nèi)可使天線表面溫度提升20℃，﹣30℃可保證化雪。多監(jiān)控端，不限制監(jiān)控端數(shù)量。

4.7 施工要求

內(nèi)部加熱材料使用高效硅膠自粘加熱片，具有良好的加熱性能和絕緣特性，適合在室外長期使用；中間保溫層采用橡塑板，具有高隔熱性能，抗老化、耐酸堿、防水，阻燃防火等級達到B1級；外部防護層使用雙面鋁箔復合板，具備隔熱、阻燃、環(huán)保的特點，美觀抗腐蝕，使用壽命長。施工過程和外觀結(jié)構(gòu)詳見圖3。

圖3 ：加熱片式除雪裝置施工過程和外觀結(jié)構(gòu)

加熱材料與天線之間、保溫材料與加熱材料之間、鋁箔板與保溫材料之間貼合緊密，不得出現(xiàn)松動脫落現(xiàn)象，防止雨水進入除雪裝置內(nèi)部。

全部采用工業(yè)級標準的電線、電纜產(chǎn)品，具有UL和CSA的安全認證，絕緣性能好，耐高溫不易老化。

在施工工藝上，布線必須規(guī)范，確保導線不外露；線槽、線管兩端使用防水材料封堵，防止雨水進入；加熱材料與導線、導線與導線接合部必須進行絕緣密封處理，防止進水、漏電。

4.8 使用經(jīng)驗

自2019年我站安裝了電熱除雪系統(tǒng)以后，通過3個冬季的完整使用周期，經(jīng)歷了零下21℃的極端嚴寒和降雪厚度超過20CM的惡劣天氣，經(jīng)過十幾次實際使用，反復調(diào)整參數(shù)進行測試，摸索出了一套行之有效的使用方法。

在使用“恒溫模式”運行時，天線口面溫度設(shè)置為2℃比較適宜。雖然理論上溫度越高化雪效果越好，但這是以大量消耗電能為代價的，系統(tǒng)很容易超過功率設(shè)置上限。綜合考慮化雪效果和電能消耗，2℃是一個比較好的平衡點，可以確保系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

一定要依據(jù)天氣預報，提前開啟天線加熱系統(tǒng)。雖然系統(tǒng)的升溫比較快，但如果遇到突如其來的大雪，也會讓人措手不及，達不到預想的化雪效果。提前1至2小時開啟系統(tǒng)，使天線口面溫度維持在2℃左右，足以應對各種級別的降雪情況。

加熱系統(tǒng)運行期間，要嚴格禁止系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置修改。運行中任何系統(tǒng)參數(shù)的修改都將導致系統(tǒng)重新加載，加熱程序中斷并重啟，會對化雪產(chǎn)生不利影響，一定要慎重操作。

功率上限設(shè)置要適宜，要綜合考慮供電容量、所處地區(qū)冬季氣溫狀況和常規(guī)降雪情況等因素。功率設(shè)置過低，遇低溫和大雪，很容易達到功率上限，系統(tǒng)會自動切入到“功率限制模式”，進行輪巡加熱，化雪達不到預期效果；功率設(shè)置過高，特別是在使用多面天線情況下，會對供電容量有很高要求。

若遭遇極端天氣，天線需要快速升溫，或加熱系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障無法使用遠程控制時，可以啟動“應急模式”。所謂應急模式就是在加熱裝置室外本地控制柜內(nèi)，將控制器上的鑰匙開關(guān)從“Auto”位置轉(zhuǎn)到“運行”位置，使其脫離遠程軟件控制，運行于全功率強制加熱狀態(tài)。應急模式使用完畢后，應返回到“Auto”位置。

對于廣電系統(tǒng)用戶，若遭遇高寒、大風、暴雪等極端天氣，天線口面溫度無法維持在2℃附近，加熱系統(tǒng)功率快速上升，同時衛(wèi)星下行接收信號電平出現(xiàn)快速下降等情況時，應及時采取提升上行發(fā)射功率、人工沖雪、加熱系統(tǒng)啟動“應急模式”等手段積極進行應對，并隨時做好切換備用天線的準備，以確保播出安全。

5.結(jié)束語

電熱除雪系統(tǒng)的應用，使我站可以從容應對冬季的降雪天氣，節(jié)省了大量人力物力，安全播出跨上了一個新的臺階。相信隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)的不斷應用，電熱除雪系統(tǒng)將為廣大衛(wèi)星通訊用戶帶來更多便利。