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2021-11-09 08:07
卫星天线为啥戴“帽子”?

本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:曹静,摄影:吴砚威,编辑:Emeria,原文标题:《卫星天线为啥戴“帽子”?为了保护每天转来转去的“颈椎”》,头图来自:吴砚威


广州的司机都知道,在广河高速路上,如果前方出现十几座天线阵列,就说明你已经到了广州天麓湖附近了。


这些天线是广州气象卫星地面站的卫星接收天线群,正是这些天线接收到的卫星数据,帮助我们监测地球表面及大气的一切状况,特别是监测世界各地的气象灾害,并提示科技人员及时发出灾害预警,保护人类生命及财产安全。


卫星接收天线群丨吴砚威


上面看到的照片中共有几座天线?答案不是6座,而是12座。那些大“帽子”里面,装的也是和外面的天线群看起来一模一样的大锅“天线”。


“藏起来”的天线丨吴砚威


加装了迷彩“天线罩”的两部大天线是接收我国风云三号信息的直径12米天线,其他白色和迷彩色“帽子”里面,装着接收美国NOAA、EOS等卫星信息的直径4.2米的天线。


在我国其他几个气象卫星地面接收站里,我们也能看到各种卫星接收天线,它们和广州的天线一样,也有戴帽和不戴帽的区别。


为什么有的天线戴“帽子”有的不戴?这得从天线本身的分类说起。


帽里帽外,两类天线


“帽子”学名叫“天线罩”,材料是玻璃钢,在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上能经受外部恶劣环境的侵扰,罩子里还配套安装着可以有效控制温、湿度的空调设备。


戴帽子的里面装的是极轨卫星接收天线,没戴帽子那些是静止卫星接收天线,对应的卫星不同,决定了两种天线的用途也是不一样的。


极轨卫星是太阳同步轨道卫星,在运行的任何一个时间点上,卫星表面都有接近相同的太阳照明角度,这使得卫星所经过地点的地方时基本相同,保证了卫星遥感探测资料具有长期可比性。


但极轨卫星会每天不停歇地沿着南北两极穿梭在地球上的每个角落,地面的天线为了追踪它接收信号就必须跟着卫星转


而静止卫星是地球同步轨道卫星,可以观测地球表面三分之一的固定区域,其运行速度与地球自转速度相同,地面上的天线保持不动就可源源不断接收卫星的信号。


为什么要给极轨卫星天线戴“帽子”?


极轨天线在卫星进入接收范围时要迅速捕捉到来自卫星的信号并启动跟踪程序接收数据,直至卫星离开。长年累月不断的“跟踪运动”,很容易给它造成机械磨损、老化加快、故障增多的病。


考虑它受驱动功率、机械结构重量、风向风速、惯性影响较大,戴上“帽子”可以有效减小转动天线的驱动功率、减轻机械结构重量、消除风特别是台风等重大风害负荷和风力矩、减小惯量,从而有效减轻极轨天线的运动磨损、腐蚀和老化,延长自身使用寿命


相比之下,静止天线始终对着卫星,基本没有机械运动摩擦,故障率会较低,考虑到这点,就没有给静止卫星戴上“帽子”。


静止天线卫星丨吴砚威


给天线戴“帽子”的其他好处


除了前面提到的机械运动原因,给极轨天线戴“帽子”还可以保护天线设备免受自然因素的侵袭,例如盐雾、酸雨、台风、暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等,如果直接暴露在外,时间长了会使天线指向误差增大、寿命缩短、工作可靠性降低。


同时发生故障时,维护人员可不受外界环境影响开展维护抢修,提高设备的完好率和使用率,“帽子”里的空调设备也可以有效解决天线高速运动产生的高温和各种负荷过大问题。


“帽子”里的极轨卫星天线丨吴砚威


 天线戴“帽子”,灵敏度会受影响吗?


不给静止卫星戴“帽子”,有没有可能是因为“帽子”毕竟是罩住天线的障碍物,会在一定程度上影响天线的性能呢?


理论上不会。


天线罩在设计制造和生产的时候,其构件尺寸、罩壁厚度、材料选择、结构细节等都会被严格考虑。


首先“帽子”厚度必须按工作波长设计以减少反射,还要能承受各种负荷不变形;


其次“帽子”的材料要非常“讲究”,透过率好的玻璃纤维为主材是好选择;


第三为了便于制造、安装和运输,会把大型刚性天线罩做成足球般的分块式,球状连接处必须通过电气性能试验和结构性能试验。


施工中的天线罩丨吴砚威


另外,戴到卫星天线头上的“帽子”都经过严格的出厂检验,顶顶是天线的保护神,不会降低数据接收的灵敏度。 


有“帽子”加持,接收更稳定、更高效


接收气象卫星信息30多年以来,作为整个卫星地面系统的前锋,我国的接收天线基本保持了稳定、可靠的运行状态,最近十多年来,在“帽子”的不断加持下,更是保持了更高的卫星接收设备的完好率和接收卫星数据的成功率。


这些卫星数据被广泛应用于气象、环境、减灾、城市规划、空间科学研究等众多行业,真正发挥了国家重大科技基础设施的作用,为科学发展做出了突出的贡献。


美国NOAA、EOS、欧洲METSET、日本葵花、中国风云、甚至科学实验“天琴一号”等广为人知的卫星的接收项目均在气象卫星地面系统的服务名单里。


未来,气象卫星地面系统还将承担更多的后续卫星数据接收任务,一顶顶“帽子”会继续为我们的卫星接收天线提供更有力的保护,成为人类更好的地预警台风、干旱、山火等气象自然灾害的好工具。


虽然卫星远在天上,但在防灾、减灾、救灾中的功劳可不小。


本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:曹静

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