人民日报社卫星主站天线融雪除冰系统设计

张睿 曹建华 鄂毅

(人民日报社技术部)

[摘 要] 本文详细阐述了人民日报社卫星主站天线主面融雪除冰系统的建设背景及系统设计情况，着重介绍了天线主面融雪除冰系统的设计思想和技术特点，以及此系统的实际应用效果。最后希望借本文给业内的天线主面融雪除冰问题提供一个新的思路和解决办法。[关键词] 天线维护 融雪除冰1 项目背景人民日报社卫星版面传输系统于1992年开通运行，是以传输报纸版面数据为核心业务的卫星通信专网，实现了人民日报本地与异地同步印刷出版。目前拥有C和KU两套完全独立、相互备份的卫星版面传输系统，在全国建有46个代印点、137个卫星接收小站，主站天线口径为6.2M/4.5M，小站天线口径为2.4M/1.8M,是国内报业规模最大、安全可靠性最高的卫星版面传输系统。人民日报社卫星版面传输系统每天向全国代印点发送人民日报的数据版面文件，是人民日报出版流程的重要组成部分，其安全性、可靠性尤为重要。人民日报社卫星主站系统建于北京报社大院内。当每年冬季下雪时，卫星主站天线主面会形成积雪，增大噪声温度，干扰卫星天线上下行信号，影响卫星传输的上行辐射功率和下行品质因数，严重时会导致信号完全中断。这种雪衰现象，经测算，5mm厚的积雪化雪时产生的冰雪水混合物对C波段天线的G/T值降低约3dB，对Ku波段天线的G/T值降低最多可达6至8 dB，当天线覆盖10cm以上的积雪时，C波段天线的信号被噪声完全覆盖。严重影响了卫星系统的可用性，威胁出版安全。解决雪衰问题，一是增大发射功率；二是及时清理积雪。但设备的选择、功率的增加受限于成本、系统、功能等方面。我们早在2005年就采用了电热丝加热方式进行除雪除冰，但实际应用中故障率高、维修成本高、功耗大，最终因系统材料老化及故障频出而被迫停用。而后每当冬季下雪我们就要组织人员戴上保险绳，拿着工具站在天线主面上扫雪。这样既不安全也无法做到及时清除，同时还会影响天线主面的曲率，从而造成传输信号的退行性衰减，降低天线的使用寿命。所以我们迫切需要一种安全有效的融雪除冰手段来解决雪衰问题，保证传版系统的安全可靠。2 项目需求对卫星主站C波段6.2M天线、Ku波段4.5M天线安装融雪除冰系统。（1） 能够快速、有效的融化天线表面积雪。（2） 故障率低、使用寿命长、易维护维修。（3） 用电安全、达到安全防火标准。（4） 节能、功率可控，可根据气候环境智能控制输出功率。（5） 具有友好的操作界面，简单易用。（6） 项目施工过程中不中断在用业务。3 项目调研选型我们认为实现项目的关键在于加热材料和采用的技术架构，因此对室外设备、加热技术进行了广泛调研和实验，横纵对比了多种方式，如鼓风机吹雪、暖风机热传导、电阻丝加热等等。但由于热效率低、噪声污染、成本高等问题，我们最终选择了碳纤维电热膜加热法和硅橡胶电热膜加热法两种方法进行比较试验。两种电热膜都属于新材料、新技术，电气安全、防火安全和耐老化性能都比较高。硅橡胶加热膜原是作为输油管道、大型设备和医疗设备等的保温加热材料，我们认为相比于碳纤维电热膜，硅橡胶加热膜外部环境适应性好，更适合室外工作环境。并且硅橡胶加热膜的贴附性能更好，使得导热非常均匀、升温速度更快，更加适合作为天线主面的加热材料。硅橡胶加热膜技术参数：（1） 工作温度：最高使用温度可达：225℃，最低环境温度为-60℃（2） 绝缘电阻：≥5 MΩ（3） 耐压强度：1500v/5s（4） 电压：220V/380V（5） 功率偏差：±8%

图1 硅橡胶加热膜供电时间与温度关系图

4 人民日报社天线主面融雪除冰系统设计4.1 天线单元设计人民日报社主站6.2米天线由16瓣扇面拼接而成。我们把每一瓣扇面自然划分成一个小温区，每个小温区内置3个温度传感器。每四个小温区组成一个大温区，由一个功率控制器来进行温度控制。故整个天线被划分为ABCD四大温区。当系统发现某一温区温度低于预警温度时，温控系统对此温区进行电热升温。

图2 天线分区图

4.2 加热单元设计经过认真计算和反复试验我们得出，当设计功率达到0.8KW/m?时，可使天线表面温度上升30℃。本系统中所使用的硅橡胶加热膜尺寸分为两种规格，大加热单元尺寸为20*8cm?，小加热单元尺寸为10*10cm?，加热功率均为0.3W/cm?。据此我们将每个扇面铺装40个大的和9个小的加热单元，共计49个加热单元，扇面总功率为2.19KW。每4个小温区又组成一个大温区，用一个控制器来控制，共计8.76KW。四个大温区相加得出6.2米天线饱和功率为35.04KW。主站6.2米天线的主面面积约等于40m?，得出功率密度为0.876KW/m?，优于设计功率密度。

图3 6.2米天线加热单元分布

4.3 动力电源设计根据系统功率设计，项目采用380V工业用电，对应融雪系统配电柜装配60A空气开关，用16mm?*5A 380V铠装电缆引入6.2米天线。6.2米天线下方安装一组空气开关，总空开100A，四项控制器空开均为40安。见下表380V铠装电缆进入总空开，分别将三根火线对应接入控制器，由于6.2米天线有四个功率控制器，根据设计要求和实际应用经验，将B相、D相控制器接入B相火线。

图4 室外配电箱

图5 动力电源设计图

4.4 温控系统设计温控系统通过网络读取埋装于天线背板的温度传感器中室外温度、天线温度等数据，再根据所得数据经过加权平均算法得出每扇面的实际温度值。系统再根据天线的实际温度，对融雪除冰系统进行智能的功率控制，使天线温度达到设定温度。温控系统可以通过TCP/IP网络协议对6.2米天线和4.5米天线进行监控和管理，并对供电系统及加热单元发出指令，进行对某天线的某分区加热的操作。此外，温控系统可以查看系统工作状态、设置系统参数。

图6 人民日报社6.2米天线操作界面

图中每一个扇面是一个温区，当鼠标放到每个温区上，可显示该温区的实时信息。每个温区的颜色会根据实际温度不断变化。当实际温度达到或接近设定温度时，温区图会呈现出绿色；当实际温度高于设定温度时，温区图会向暖色系变化，直至呈现出红色；当实际温度低于设定温度时，温区图会向冷色系变化，直至呈现出蓝色。（上图设定温度为1.2℃，实际温度为21℃，故温区颜色呈现出红色状态。）4.5 温控软件管理及使用4.5.1 天线控制管理控软件可以将多面天线进行统一管理，通过“天线控制”工具条或软件下方的左右箭头进行切换，远程控制多面天线。

图7 天线控制操作界面

4.5.2 天线加热控制管理

图8 天线加热控制管理操作界面

（1） 供电区域最大功率：在设置选项中，可根据供电条件和用电需求合理设置供电总功率，系统会根据此项设置按需分配每面天线以及每个温区的供电功率。（2） 天线温度设定：此设定是根据室外气候条件设定的理想工作温度，当温度设定后，融雪除冰系统将以此标准进行工作。（3） 天线最大功率：是指在多面天线加热系统组成一个天线加热阵列时，其中一面天线的最大限制功率。4.5.3 天线工作模式管理天线有3种工作模式，分别为恒温模式、功率限制、自动模式。

（1） 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±0.5℃内。此模式天线表面温度稳定，在极端恶劣天气下能保证天线表面无积雪。

（2） 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。系统根据所处“供电区域”设定的功率，自由分配分区进行加热。分区申请到功率后对该区域进行加热，温度达到设定值（预设1.2℃，可远程配置）停止加热，释放的功率由其它分区进行申请。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堆积。经实际测试，使用中13m天线在6kW限制功率下，中雪环境能保证天线正常工作。

（3） 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。

4.5.4 天线状态分析管理显示模式：可监测天线温度、功率、电流和占空比的实时数据，通过这些数据研判天线的工作状态。

图9 天线状态分析操作界面

5 人民日报社天线主面融雪除冰系统特点（1） 融雪速度快、效果好。15分钟内可使天线表面温度提升20℃，最低可在室外环境零下30℃的情况下正常运行。在恒温模式下温度稳定度高，温度变化±1℃以内。若在降雪前开启，天线主面将基本不会积雪，所以降雪过程中不影响天线正常工作，天线的接收信标下降不超过1dB。（2） 精确合理的功率控制，安全、节能。根据天线的传热特性,使用有限元分析方法进行科学设计，提升系统加热效率。功率控制和软启动的方式避免了冲击电流对电器元件的损耗，增强了使用寿命，降低了电磁干扰。通过系统对功率的精确控制，在非极端气候条件下，通常只需要设计功率的10%即可达到融雪效果。（3） 智能控制。基于IP管理，能够连接多种网络，部署各种监控端，方便监控管理；软件支持远程开关系统，设置参数，监控状态；可设置多种控制模式，以应对各种工作环境；参数设定后，系统全自动工作无需人工干预。（4） 系统的整体性和扩展性。系统可以控制多幅天线的加热系统组成一个整体的阵列式系统，统筹分配总供电功率和每幅天线功率，确保不超过总设定功率的前提下合理分配功率。系统还可以根据需求随时将新的天线加入已整合好的阵列式系统.（5） 安全、可靠性高。系统采用多种保护措施保证系统的安全可靠运行。采用耐高低温材料、防水设计和施工保证使用寿命。分布式的设计保证部分部件损坏不影响整体系统的运转。系统中所有控制器均独立运行，使用内部网络数据库进行数据共享，在任何控制器失效的情况下均不会影响其它控制器的正常使用。即使在设备失效或损毁的特殊情况下，依然可以使用控制器面板上的手动控制开关对天线进行手动加热控制。优质的电子元器件和严谨的施工工艺，也确保了系统的安全、稳定。6 使用效果为了不影响在线业务的运行，我们与建设方配合，制定了严密的施工方案。2013年11月上旬，项目完成后，系统经历了大风降温、冰雪等气象条件的检验，这套融雪除冰系统可稳定的将温度保持在设定值的±0.5℃以内。2014年2月7日北京地区降雪，我们在天线下沿积雪达到约50毫米、室外温度-4℃情况下，开启天线融雪除冰系统。工作模式为恒温模式、温度设置为1.2℃，系统在15分钟后达到设定温度，天线主面积雪开始融化，10分钟后天线主面积雪全部融化，6.2米天线融雪除冰系统峰值功率为8.1KW。融雪速度快、消耗功率低，效果显著，达到了设计要求。卫星传输系统的发射功率正常。根据需要我们调整了系统应用预案，提出要加强跟踪降雪预报，适时提早启动系统，保证传版安全。目前这项技术在国内报社传版卫星主站系统中应用尚属首次。我们还要不断完善此系统，如增加天线落雪自动检测功能、开发将相关信息发送至移动终端等模块。参考文献[1] 王涛, 硅橡胶的合成与性能研究. 广州化工, 2011年, 第1期, 39卷.[2] http://www.doc88.com/p-672121692560.html. 联系方式：张 睿：18910838259曹建华：13501107584鄂 毅：13701230571 编辑：中国新闻技术工作者联合会