測(cè)控天線系統(tǒng)防御臺(tái)風(fēng)的措施①

辛 進(jìn)，彭前春，韓 菁，楊子凡，祝紅星，楊 奇，孫肇志

(1.浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043；3.中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，酒泉 732750)

0 引言

海南是中國(guó)遭受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。臺(tái)風(fēng)造成的強(qiáng)風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣[2]，直接威脅地面站衛(wèi)星測(cè)控天線系統(tǒng)的安全和正常工作。當(dāng)前陸基測(cè)控天線以卡塞格倫天線和環(huán)焦天線為主[3，4]，天線拋物面直徑從幾米到十幾米甚至幾十米不等，在抗風(fēng)力等級(jí)方面天線系統(tǒng)有自身的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求[5]，遇到臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)需要根據(jù)天線風(fēng)負(fù)載要求、臺(tái)風(fēng)等級(jí)、天線迎風(fēng)角度等因素采取避險(xiǎn)措施，如對(duì)天線進(jìn)行歸零、收藏和插鎖。在抗降雨衰減方面，統(tǒng)一S波段和統(tǒng)一C波段衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)受降雨衰減相對(duì)較少[6，7]，但X波段以上的衛(wèi)星下行信號(hào)受降雨衰減影響嚴(yán)重[8，9]，特別是在天線仰角較低時(shí)這種降雨衰減更加明顯[10]。另外，臺(tái)風(fēng)使海洋大氣高鹽高濕的環(huán)境特點(diǎn)更加明顯，造成海南地區(qū)的測(cè)控天線更容易受到腐蝕[11]。作為低壓系統(tǒng)，臺(tái)風(fēng)過境時(shí)造成地面站氣壓值急劇下降，導(dǎo)致衛(wèi)星測(cè)控過程中根據(jù)氣象參數(shù)(溫度、氣壓、濕度)算得的信號(hào)大氣折射率與晴好天氣時(shí)明顯不同[2]，需要對(duì)大氣折射率模型進(jìn)行修正。

加強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)源地、移動(dòng)路徑、登陸時(shí)間、中心氣壓、最大風(fēng)速等特征規(guī)律的研究[13，14]，有利于測(cè)控天線系統(tǒng)更加科學(xué)地防御臺(tái)風(fēng)。因此本文首先處理1989～2018年臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出登陸海南臺(tái)風(fēng)的特征，然后結(jié)合測(cè)控天線系統(tǒng)的抗風(fēng)力等級(jí)、跟蹤信號(hào)AGC電壓門限、天線機(jī)房防護(hù)等要求，提出海南地區(qū)衛(wèi)星測(cè)控天線系統(tǒng)防御臺(tái)風(fēng)的具體措施。

1 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)和風(fēng)壓負(fù)荷

1.1 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

1989～2018年臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象局熱帶氣旋中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)，該數(shù)據(jù)包含西北太平洋海域熱帶氣旋每6小時(shí)或3小時(shí)的位置、等級(jí)、中心最低氣壓、最大平均風(fēng)速等氣象信息[15]。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19201—2006)，以熱帶氣旋底層中心附近最大平均風(fēng)速為界定，熱帶氣旋劃分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)6個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 熱帶氣旋等級(jí)劃分表Table 1 The classification of tropical cyclones

1.2 測(cè)控天線風(fēng)壓負(fù)荷

公式(1)是計(jì)算單位面積上拋物面天線風(fēng)壓負(fù)荷的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，其中KS是風(fēng)載體型系數(shù)，當(dāng)迎風(fēng)角度為0度(正面)時(shí)，KS為1.2(由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定)；K0是風(fēng)壓負(fù)荷調(diào)整系數(shù)，取值范圍為0.75-1.4，與天線本身結(jié)構(gòu)、安裝環(huán)境等有關(guān)，這里取中間值1.075；W0是基本風(fēng)壓(kg/m2)，計(jì)算方法為公式(2)，V為風(fēng)速(m/s)；KH是風(fēng)壓高度變化系數(shù)，當(dāng)測(cè)控天線離地高度15米時(shí)，KH為1.15，離地高度增加，KH也隨之增大。其中KS，K0，W0，KH的取值設(shè)定見文獻(xiàn)5，此處不再贅述。

W=KS·K0·W0·KH

(1)

W0=V2/16

(2)

2 海南臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征

2.1 登陸海南的臺(tái)風(fēng)源地和路徑特征

1989～2018年西北太平洋有臺(tái)風(fēng)編號(hào)的熱帶氣旋數(shù)量753個(gè)(圖1灰實(shí)線)，其中登陸中國(guó)的臺(tái)風(fēng)235個(gè)(圖1黑實(shí)線)，約占西北太平洋臺(tái)風(fēng)總數(shù)的31%，從海南登陸的臺(tái)風(fēng)46個(gè)，約占登陸中國(guó)臺(tái)風(fēng)總數(shù)的20%，由此可見海南地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響比較嚴(yán)重。從圖2可以看出，登陸海南的臺(tái)風(fēng)主要生成海域有兩個(gè)：菲律賓以東洋面和南海海域。生成海域位于菲律賓以東洋面的臺(tái)風(fēng)26個(gè)，占比56.5%(圖2a)；生成海域位于南海海域的臺(tái)風(fēng)20個(gè)，占比43.5%(圖2b)。菲律賓以東洋面生成的臺(tái)風(fēng)一般以“西進(jìn)型”的方式登陸海南，路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，但在南海海域生成的臺(tái)風(fēng)路徑相對(duì)復(fù)雜，存在“打轉(zhuǎn)”的情況。

圖1 1989～2018年西北太平洋臺(tái)風(fēng)(灰實(shí)線)和登陸中國(guó)的臺(tái)風(fēng)(黑實(shí)線)Fig.1 1989～2018 the typhoons of the Northwestern Pacific Ocean (grey solid line)and the landing typhoons of China(black solid line)

(a)菲律賓以東洋面

(b)南海海域生成的臺(tái)風(fēng)圖2 1989～2018年登陸海南的臺(tái)風(fēng)路徑和源地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 登陸海南的臺(tái)風(fēng)時(shí)間和地點(diǎn)分布

從圖3a可以看出，1989年登陸海南的臺(tái)風(fēng)數(shù)量最多；1997，1998，1999，2004，2006，2012，2017這七年沒有臺(tái)風(fēng)登陸海南，平均每年約有1.5個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸海南。在臺(tái)風(fēng)登陸月份方面(圖3b)，登陸海南的臺(tái)風(fēng)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月這五個(gè)月沒有臺(tái)風(fēng)登陸海南。在臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)方面(圖4)，從海南文昌、萬寧登陸的臺(tái)風(fēng)數(shù)量最多，均為13個(gè)；其次是從三亞登陸的臺(tái)風(fēng)，10個(gè)；從陵水和瓊海登陸的臺(tái)風(fēng)各為4個(gè)；其他地點(diǎn)登陸的臺(tái)風(fēng)數(shù)量較少或者沒有臺(tái)風(fēng)登陸。

(a)每年登陸海南的臺(tái)風(fēng)數(shù)量

(b)每月累積登陸海南的臺(tái)風(fēng)數(shù)量圖3 Fig.3 the yearly amount (a)and monthly amount (b) of landing typhoons in Hainan Province

圖4 臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)分布Fig.4 the distribution of landing typhoons location

2.3 登陸時(shí)的中心氣壓、風(fēng)速和等級(jí)特征

1989～2018年登陸海南的臺(tái)風(fēng)，其登陸時(shí)中心最低氣壓在888～1000hPa之間(圖5a)，平均值977.9hPa。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)中心氣壓越低，相應(yīng)的底層中心附近最大平均風(fēng)速越大，底層中心附近最大平均風(fēng)速為72m/s，最小值為15m/s(圖5b)。圖6給出了臺(tái)風(fēng)登陸海南時(shí)的等級(jí)分布：登陸時(shí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴等級(jí)的數(shù)量最多，30.43%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力10-11級(jí)；登陸時(shí)為臺(tái)風(fēng)等級(jí)的次之，28.26%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力12-13級(jí)；登陸時(shí)為熱帶風(fēng)暴等級(jí)的第三，21.74%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力8-9級(jí)；登陸時(shí)為熱帶低壓等級(jí)的第四，10.87%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力6-7級(jí)；登陸時(shí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)的第五，6.52%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力14-15級(jí)；登陸時(shí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)的最少，2.17%，對(duì)應(yīng)風(fēng)力16級(jí)以上?？偟膩碇v，登陸時(shí)風(fēng)力在8級(jí)以上的臺(tái)風(fēng)數(shù)量占89.13%；登陸時(shí)風(fēng)力在14級(jí)以上的臺(tái)風(fēng)數(shù)量占8.69%。

(a)臺(tái)風(fēng)登陸海南時(shí)的中心最低氣壓

(b)底層中心附近最大平均風(fēng)速圖5 Fig.5 the central air pressure (a)and maximum wind speed(b)of landing typhoons in Hainan Province

圖6 臺(tái)風(fēng)登陸海南時(shí)的等級(jí)分布Fig.6 the distribution of landing typhoons grade

3 測(cè)控天線防御臺(tái)風(fēng)的措施

3.1 臺(tái)風(fēng)登陸前的準(zhǔn)備工作

通過第二部分的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，登陸海南的臺(tái)風(fēng)時(shí)間主要集中在6-10月，登陸地點(diǎn)主要集中在海南的東部和南部，以文昌、萬寧和三亞3個(gè)地區(qū)登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)量居多，分布在這些地點(diǎn)的測(cè)控天線需要提前做好防御臺(tái)風(fēng)的準(zhǔn)備。在臺(tái)風(fēng)集中登陸月份到來之前，對(duì)測(cè)控天線系統(tǒng)進(jìn)行檢查維護(hù)：首先是密封天線塔基門窗，防止進(jìn)水；其次是清理俯仰大齒輪，更新航空潤(rùn)滑脂，并對(duì)天線體銹蝕部位進(jìn)行除銹；再次是檢查中心體、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)柜、高功放等設(shè)備，確保關(guān)鍵設(shè)備留有備件；最后是檢查避雷塔、避雷帶等防雷設(shè)置，確保天線機(jī)房接地電阻不大于4歐姆(GB/T2887—2000)。

3.2 實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警工作

登陸海南的臺(tái)風(fēng)主要源地為菲律賓以東洋面和南海海域。除1月，2月，3月，5月和12月這五個(gè)月沒有臺(tái)風(fēng)登陸海南之外，其他月份氣象預(yù)報(bào)員應(yīng)該密切關(guān)注菲律賓以東洋面和南海海域的低壓系統(tǒng)活動(dòng)情況，一旦有熱帶氣旋生成，跟進(jìn)關(guān)注其移動(dòng)路徑，當(dāng)熱帶氣旋獲得臺(tái)風(fēng)編號(hào)并有可能影響海南時(shí)，及時(shí)發(fā)布臺(tái)風(fēng)預(yù)警。菲律賓以東洋面生成的臺(tái)風(fēng)路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，但在南海海域生成的臺(tái)風(fēng)路徑復(fù)雜多變，此時(shí)要增加臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度的監(jiān)視和分析預(yù)報(bào)頻次，隨時(shí)掌握臺(tái)風(fēng)演變情況，以便采取相應(yīng)措施。

3.3 測(cè)控天線的保護(hù)措施

登陸海南的臺(tái)風(fēng)風(fēng)力在8級(jí)以上的數(shù)量占89.13%，對(duì)應(yīng)底層中心附近最大平均風(fēng)速至少為17.2 m/s，根據(jù)公式(1)計(jì)算出單位面積上拋物面天線風(fēng)壓負(fù)荷至少為：

W=KS·K0·W0·KH=1.2×1.075

×18.5×1.15=27.44 kg/m2

對(duì)于直徑為12米的測(cè)控天線而言，其面積A=π(D/2)2=113.10 m2，所承受的風(fēng)壓負(fù)荷至少為113.10×27.44=3103.46 kg。按照測(cè)控天線抗風(fēng)力等級(jí)“8級(jí)風(fēng)保精度，14級(jí)風(fēng)不破壞”的指標(biāo)要求，在海南地區(qū)建設(shè)天線塔基和安裝天線時(shí)，必須充分考慮海南登陸臺(tái)風(fēng)“8級(jí)以上89.13%，14級(jí)以上8.69%”的統(tǒng)計(jì)特征。

在測(cè)控任務(wù)中，如果遇到臺(tái)風(fēng)正面登陸且風(fēng)速監(jiān)測(cè)大于17.2m/s時(shí)，需要申請(qǐng)出航天測(cè)控網(wǎng)，對(duì)天線進(jìn)行方位/俯仰歸零、收藏和插鎖，防止測(cè)控天線遭受機(jī)械性損毀。有條件的地面站可以加裝天線罩，增強(qiáng)測(cè)控天線抗風(fēng)力等級(jí)的能力。

3.4 測(cè)控任務(wù)的應(yīng)急措施

在衛(wèi)星測(cè)控過程中，為保護(hù)信道設(shè)備，當(dāng)衛(wèi)星下行信號(hào)AGC電壓大于4.5V時(shí)，監(jiān)控分系統(tǒng)會(huì)對(duì)下行信號(hào)和路、差路的射頻數(shù)控衰減器加6-9dB衰減，但當(dāng)臺(tái)風(fēng)引發(fā)強(qiáng)降雨且天線達(dá)不到收藏等級(jí)仍需繼續(xù)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)，由于降雨衰減可能導(dǎo)致主收信號(hào)AGC電壓小于3.0V甚至更低。針對(duì)此類降雨衰減問題，應(yīng)采取射頻數(shù)控衰減器去衰減的操作，即把原有加衰減6-9dB改為加衰減3dB或者0dB。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，去掉6dB衰減，下行信號(hào)AGC電壓可以提高0.5V。采取去衰減操作的主要目的是防止信號(hào)AGC電壓過低導(dǎo)致測(cè)控天線無法滿足自跟蹤條件，進(jìn)而影響測(cè)控任務(wù)順利執(zhí)行。

4 結(jié)論

通過處理1989-2018年臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，對(duì)登陸海南的臺(tái)風(fēng)源地、移動(dòng)路徑、登陸時(shí)間、登陸地點(diǎn)、中心氣壓、最大風(fēng)速和臺(tái)風(fēng)等級(jí)等特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。然后結(jié)合測(cè)控天線的抗風(fēng)力等級(jí)指標(biāo)和測(cè)控任務(wù)的工作要求，提出了海南地區(qū)衛(wèi)星測(cè)控天線系統(tǒng)防御臺(tái)風(fēng)的具體措施：(1)登陸海南的臺(tái)風(fēng)時(shí)間主要集中在6-10月，登陸地點(diǎn)主要集中在海南東部和南部，以文昌、萬寧和三亞3個(gè)地區(qū)登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)量居多，約占登陸海南臺(tái)風(fēng)總數(shù)的75%，分布在這些地點(diǎn)的衛(wèi)星測(cè)控天線系統(tǒng)需要提前做好防御臺(tái)風(fēng)的準(zhǔn)備；(2)登陸海南的臺(tái)風(fēng)源地為菲律賓以東洋面和南海海域，應(yīng)密切關(guān)注此類海域的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)預(yù)警信息；(3)天線拋物面直徑越大，測(cè)控天線的風(fēng)壓負(fù)荷越大，登陸海南的臺(tái)風(fēng)風(fēng)力在8級(jí)以上的數(shù)量占89.13%，按照測(cè)控天線“8級(jí)風(fēng)保精度，14級(jí)風(fēng)不破壞”的抗風(fēng)力等級(jí)要求，遇有臺(tái)風(fēng)正面登陸且監(jiān)測(cè)風(fēng)速大于17.2m/s時(shí)測(cè)控天線應(yīng)申請(qǐng)退出航天測(cè)控網(wǎng)，對(duì)天線進(jìn)行收藏和插鎖；(4)針對(duì)臺(tái)風(fēng)降雨引起的衛(wèi)星下行信號(hào)衰減問題，需要采取去衰減的應(yīng)急操作，提高跟蹤信號(hào)的AGC電壓，確保測(cè)控任務(wù)順利執(zhí)行。