太阳辐射对风云二号测距天线的影响

任立清 梅桢 贾耀红

（1.乌鲁木齐气象卫星地面站 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011 2.北京气象卫星地面站 北京市 100086）

风云二号H 星是我国研制的第一代静止轨道气象卫星的最后一颗，于2018年6月5日21 时07 分在西昌成功发射。卫星定点于东经79 度的赤道上空，和86.5 度的风云二号卫星共同为中国天气系统上游地区提供气象、灾害监测服务，同时为‘一带一路’沿线的国家提供防灾减灾等监测服务，在天气灾害预警中发挥十分重要作用。乌鲁木齐测距副站因特殊的地理位置，承担着所有风云二号静止气象卫星的测距任务，其测距系统运行稳定性影响着卫星轨道以及卫星云图的定位精准度。

风云二号系列静止气象卫星采用三点测距定位法。测距主站是北京（广州为备份），副站是广州（墨尔本）、乌鲁木齐、佳木斯。乌鲁木齐测距副站天线、馈源及低噪声放大器等接收信道的核心部分安装运行在室外，在环境温度较高的夏天,太阳辐射产生的热环境严重影响着天伺馈分系统正常工作，如何应对太阳辐射对现有的测距系统室外单元的热干扰，对提高乌鲁木齐测距副站运行准确率以及风云二号卫星的定位有着至关重要的作用。

1 乌鲁木齐地区太阳辐射变化规律

新疆气候特点为典型的大陆性气候，降雨量少，气候干旱，昼夜温差大、春秋季节短促、冬夏变化剧烈，日照时间较长，太阳辐射强。南疆地区，一年降水量不超过100 毫米，全年气温平均值在10℃-13℃。北疆地区的年降水量能达到100-500 毫米。新疆的北部平原全年气温的平均值低于10℃。乌鲁木齐地处北疆，位于东经86°37′—88°58′，北纬42°54′—45°00′，气候特点是无霜期短，全年气温平均值6.9℃[2]。据气象资料统计分析，乌鲁木齐夏季白昼长，夜晚短，太阳照射时间长远大于冬季，夏季太阳辐射强度远高于冬季。太阳辐射强度在夏季最大可达到23kW·h/m2，最大峰值出现在夏季正午时刻。冬日日照短，夜晚长，太阳能辐射强度则较小，处于较低值，最大值不会超过2kW·h/m2。乌鲁木齐平均太阳辐射强度月变化曲线与全年平均温度完全吻合[3]（如图1 所示）。

从乌鲁木齐平均辐射量的逐月变化趋势可见，太阳辐射强度成正态分布，6-7月太阳辐射强度达到峰值。太阳高度角从3月开始逐渐增大，太阳照射到地面的辐射能量开始增加；到9月之后, 太阳高度角逐渐减小,测距站接收到的太阳辐射能量也随之减少。不同地区观测太阳的方位角和俯仰角不同。通常：h 为太阳高度角，φ 为地理纬度，δ 为太阳赤纬角，ω 为太阳时角，ξ 为观测时间，γ为太阳方位角

图1：乌鲁木齐平均太阳辐射月变化

利用上述公式，根据某点的地理纬度、太阳赤纬角、观测时间，就可求出当地某个具体时刻的太阳方位角。

2 太阳辐射对测距副站系统的影响

太阳辐射是以电磁波的形式传输到地球上的一种能量，是地球上所有生命活动最基本的能量来源。乌鲁木齐站测距系统中的天线、馈源等器件安装在露天，长期受到太阳辐射带来的季节性温度变化及强烈太阳光照射，天线表面和密封在高频箱内的低噪声放大器温度大幅上升，部分器件温度过高，可能导致系统工作不正常，使用寿命缩短，甚至损毁。

太阳照射时间的长短是影响太阳辐射强度最直接的因素[4]。太阳辐射对测距系统室外设备的影响与测距站的地理经纬度、季节、实际照射时间等多种因素有关，接受太阳照射的时间长，获得太阳辐射能量就越多。地面测距站能接受到太阳光线照射到所经历的时间为测距站的可照时数。

2.1 太阳辐射对测距天线馈源的影响

风云二号卫星测距副站的天线表面温度随着太阳辐射强度及照射方向的变化而变化。风云二号卫星测距天线馈源位于天线最前端，在夏季受太阳辐射的影响较大，其他季节的工作状态较稳定。因此，应对夏季高温环境对保障天线运行正常及其重要。

当卫星运行接近太阳（太阳宁静时），测距站天线指向测距卫星方位、俯仰值与指向太阳的方位、俯仰值的差值绝对值<0. 7°（约为 40′） 时， 测距站天线的等效的噪声温度Ta 高于工作门限值，此时接收的测距信号不能使用，淹没在噪声中；当测距天线指向卫星的方位、俯仰值与指向的太阳方位、俯仰值差值绝对值≥ 2°时，对接收到的测距信号没有影响；当测距天线指向卫星的方位、俯仰值与指向的太阳位置方位、俯仰值差值绝对值<2°时[6]，还没有完全对准太阳时，测距天线系统就会出现饱和现象，从而影响天线对卫星下行测距信号的接收，因此测距过程中，由于天线指向位置与太阳位置夹角的大小对卫星测距信号正常接受的影响较大，应提前准备预案，采取有效措施加以应对。表1 给出不同站点太阳最大辐射时刻的天线指向方位、俯仰值。

表1：各测距站太阳强辐射影响最大时的天线指向

在乌鲁木齐测距站对星位为86.5 的卫星进行测距时，测距副站的天线方位180.5°、俯仰为38.5°，根据表1 可知与此同一时间观测太阳时的天线的方位180.14°、俯仰39.57°，即天线指向与太阳位置的夹角小于2°时，尤其在14:30-15:00（北京时）乌鲁木齐地区太阳辐射最强时，环境温度也最高，按照测距时间表可知，在北京时14:48 分（世界时06:48）的测距时刻太阳辐射与风云二号卫星转发的测距信号叠加在一起被馈源接收。设备巡检时就发现馈源膜呈烧焦状态。因为高温使馈源膜烧焦产生的黑渣状物质，严重影响了测距信号的正常接收和发射。

在实际工作中发现，将天线主面的白色涂漆更换成迷彩色漆，可增加天线主面对太阳辐射的吸收，降低天线面反射到馈源膜的热量[8]，确保馈源膜的安全性。

2.2 太阳辐射对低噪声放大器的影响

测距副站的低噪声放大器（以下简称LNA）设备安装在室外天线后面高频箱内， LAN 接收到的数据包含各种噪声信号和有用信号，是决定整个接收信道各项指标、评估信道的重要元素。因此，LNA 具备高可靠性、稳定性极端重要。

乌鲁木齐市冬季气温较低、气候干燥、温差较大[4]，夏天温度最高时，太阳高度角也较高，位于太阳辐射较强的乌鲁木齐区域，直射下的高频箱温度要高出室外温度十几度，极易突破器件工作允许的最高温度。经资料统计分析表明：冬季的AGC 较高，日变化不大；夏季AGC 较低，日变化较大，早晚较高，中午较低。基本能反映LAN 的温度特性。系统在选用低噪声放大器LAN 器件时：

（1）要选用温度补偿功能好的放大器，尽量不用没有温度补偿功能的放大器，若必需使用则严格控制使用级数；

（2）要考虑到随温度变化的电平变化量，必须留有充足的富余量可以对电路进行补偿；

（3）选用多级放大器时，对每一级放大器的输出电平变化量都要留有足够的富余量，预先将因温度变化对多级放大可能产生的积累一并考虑，避免出现因温差较大引起输出发生较大变化的情况。夏季高温最简易的办法是可以使用反射较大的锡箔纸围住高频箱，减少高频箱对热量的吸收，以降低LAN 工作环境的温度。

3 结论

乌鲁木齐地区太阳辐射对测距天线影响较大，太阳辐射对测距系统室外设备的影响较大，应选用温度补偿功能好的LAN，同时对现有的器件进行有效的降温处理。且影响程度与站点所处地理位置、季节等多种因素有关，不同地区站点设备可根据实际情况选取吸收系数不同的涂料，将天线面进行涂饰，减少热量反射到馈源膜。