黃華山 劉藍(lán)天 徐荔武 劉田保

摘要：鉆井平臺等海上裝置與陸地進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信，主要是借助衛(wèi)星、微波等通信方式實現(xiàn)。衛(wèi)星、微波等無線通信的無線信號經(jīng)由通信天線發(fā)送和接收，并延直線路徑在空中傳播，這就對通信天線的定向跟蹤能力和天線性能提出了嚴(yán)格的要求。以往全自動跟蹤天線設(shè)備均為國外進(jìn)口，國內(nèi)長期未形成成熟的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，久而久之必將成為制約我國海洋通信事業(yè)發(fā)展的潛在不利因素。本文結(jié)合相應(yīng)實例，介紹了對全自動跟蹤天線的國產(chǎn)化研究以及其在南海鉆井平臺上的推廣應(yīng)用情況。實際應(yīng)用情況表明，針對海洋作業(yè)環(huán)境研發(fā)的國產(chǎn)化天線，完全能夠替代國外進(jìn)口設(shè)備滿足我國海上油氣作業(yè)船舶的通信需求。其可搭載衛(wèi)星、微波、散射等多通信業(yè)務(wù)的模塊技術(shù)更是具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信? 鉆井平臺通信? 全自動跟蹤天線? 微波/散射通信

Research and Application of Automatic Tracking Antenna in Offshore Equipment

HUANG Huashan? LIU Lantian? XU Liwu? LIU Tianbao

（Zhanjiang Branch， CNOOC Information Technology Co.， Ltd.， Zhanjiang， Guangdong Province， 524057 China）

Abstract： The voice and data communication between offshore devices such as drilling platforms and land is mainly realized by means of satellite， microwave and other communication methods. The wireless signals of satellite， microwave and other wireless communications are transmitted and received through the communication antenna， and propagate in the air along a straight path， which puts forward strict requirements for the directional tracking ability and antenna performance of the communication antenna. In the past， the full-automatic tracking antenna equipment was imported from abroad， and the mature technology and industry have not been formed in China for a long time. Over time， it will become a potential adverse factor restricting the development of China's marine communication industry. Combined with the corresponding examples， this paper introduces the research on the localization of fully automatic tracking antenna and its popularization and application on the drilling platform in the South China Sea. The practical application shows that the domestic antenna developed for the marine operation environment can completely replace the imported equipment and meet the communication needs of China's offshore oil and gas operation ships. Its modular technology， such as capable satellite， microwave， scattering and other multi communication services， have broad application prospects.

Key Words： Satellite communication; Drilling platform communication; Full automatic tracking antenna; Microwave / scattering communication

隨著我國海洋石油勘探開發(fā)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在祖國遼闊的藍(lán)色國土上進(jìn)行油氣開發(fā)作業(yè)的海上鉆井平臺、勘探船、油輪等海上油氣裝置的數(shù)量也越來越多。作業(yè)船舶在遠(yuǎn)離陸地的海上航行和作業(yè)，傳統(tǒng)的地面通信如光纖、電纜等都難以抵及，只能依靠衛(wèi)星、微波等無線通信手段與陸地以及其他船舶進(jìn)行通信。在海上，鉆井平臺等海上船舶的船體往往處于運動和搖擺狀態(tài)，而衛(wèi)星、微波等無線通信的通信電波多為直線傳播，因此通信天線需要具有較強(qiáng)的自動對星和跟蹤功能，才能保障數(shù)據(jù)傳輸具有足夠的穩(wěn)定性。

近兩年隨著海上油氣資源勘探開發(fā)力度的加大，鉆井平臺等海上裝置對通訊業(yè)務(wù)需求也在擴(kuò)大。為緊抓市場機(jī)遇，提升海洋能源行業(yè)生產(chǎn)信息化水平，我們對全自動跟蹤通信天線系統(tǒng)展開研究，力爭擺脫對國外壟斷品牌的依賴，降低在海上移動平臺的通訊業(yè)務(wù)開展成本。同時這也有利于為今后深水大開發(fā)戰(zhàn)略提供更好的通信保障，進(jìn)一步助推海上生產(chǎn)信息化和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展[1]。

1國內(nèi)外發(fā)展情況

西方發(fā)達(dá)國家對自動跟蹤天線系統(tǒng)的研究早在上世紀(jì)初便開始進(jìn)行，至今已涌現(xiàn)了一批著名的移動衛(wèi)星通信地球站的提供商。其中比較有代表性的有：TracStar和RaySat專注于陸地衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)研發(fā)，Rantec和Staring等則在海上衛(wèi)星跟蹤天線的設(shè)計開發(fā)方面具備明顯優(yōu)勢，而美國SeaTel公司作為海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最大開發(fā)公司，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具備多項核心技術(shù)。SeaTel公司設(shè)計制造了世界上第一套以“圓錐掃描”為跟蹤技術(shù)的伺服控制系統(tǒng)，成為衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域當(dāng)之無愧的佼佼者。

在國內(nèi)，衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)的早期設(shè)計研發(fā)工作大多由國內(nèi)一些大型研究所進(jìn)行，產(chǎn)品也主要應(yīng)用于軍事、航天等領(lǐng)域。得益于國民經(jīng)濟(jì)的快速提升，民用移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)近年來得到了快速發(fā)展，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一批新興研發(fā)企業(yè)[2]。但受限于高精度傳感器昂貴的價格，以及基礎(chǔ)研究滯后等因素，衛(wèi)星跟蹤天線市場的大部分份額依然歸國外公司所有。

2全自動跟蹤天線在中國海油的應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋石油主要海上作業(yè)設(shè)施中，應(yīng)用全自動跟蹤天線系統(tǒng)較多的為鉆井平臺。鉆井平臺是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，平臺上裝有鉆井、動力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施[3]。在海上油氣勘探開發(fā)時，鉆井平臺長期處于遠(yuǎn)離陸地的海洋之中，不僅手機(jī)信號存在覆蓋盲區(qū)，光纖、通信電纜等通信手段也無法企及。尤其是在鉆井平臺航行過程中，與外界的數(shù)據(jù)通信目前只能依靠衛(wèi)星通信手段來實現(xiàn)。因此，鉆井平臺基本上都會配備全自動跟蹤衛(wèi)星天線以滿足平臺在海上及生產(chǎn)作業(yè)時的衛(wèi)星通訊需求。其中，又以2.4米及以上口徑的C波段衛(wèi)星天線為主。另有少數(shù)船舶配備了1米左右的小口徑Ku波段衛(wèi)星天線，該類型天線由于存在雨衰大的固有不利特性，主要被應(yīng)用于我國北方海域，而在降雨較多的南方海域較少使用。

我國南海向來是石油勘探開發(fā)的重點發(fā)展海域，尤其是近年來我國一直在加大力度推動深水發(fā)展戰(zhàn)略，穩(wěn)步推進(jìn)南海深水海域油氣資源的勘探開發(fā)利用[4]。因此，為南海以及深水作業(yè)設(shè)施提供安全穩(wěn)定可靠的多元化大帶寬無線通信也成為了我們需要重點研究的通信技術(shù)方向。

3系統(tǒng)研究內(nèi)容與特點

本項目研究以國產(chǎn)衛(wèi)星通信全自動跟蹤天線為基礎(chǔ)，以廣義的定向輻射天線作為控制對象，實現(xiàn)移動裝置天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的工程實現(xiàn)。研究團(tuán)隊擁有項目研究所需的各類測試及輔助設(shè)備，可滿足項目研究所需要的各種選擇及改造條件，并且海南片區(qū)基站及平臺均可作為現(xiàn)場測試的場所，因此在硬件設(shè)施和實驗場地上完全滿足系統(tǒng)的研究與開發(fā)條件。

3.1 主要研究內(nèi)容

根據(jù)海上油氣勘探開發(fā)行業(yè)的特殊需求，本研究主要圍繞兩方面內(nèi)容展開。

（1） 由于部分鉆井平臺屬于半潛式平臺，平臺會有輕微搖擺，這對自動跟蹤天線的跟蹤效果和鏈路穩(wěn)定性都提出了嚴(yán)格的考驗。本項目通過對天線系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，針對海洋環(huán)境中的動態(tài)載體的運動特性，著重對跟蹤系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性進(jìn)行攻關(guān)，以保障天線系統(tǒng)的鏈路暢通率能夠滿足海上平臺的通信需求[5]。

研究的關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)字穩(wěn)定平臺設(shè)計，初始對準(zhǔn)算法設(shè)計，跟蹤方式以及算法設(shè)計，慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計等。其中，慣導(dǎo)系統(tǒng)利用慣性導(dǎo)航測量載體姿態(tài)并進(jìn)行跟蹤計算，由于不再依賴外部船艏向的輸入，因此比以往常用的系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。這也是與國外全自動天線系統(tǒng)相比的一項重要技術(shù)創(chuàng)新。

（2） 從多元化通信需求和海上寬帶信息化發(fā)展出發(fā)，發(fā)揮國產(chǎn)化優(yōu)勢，對天線進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計。一方面，使天線系統(tǒng)可以兼容國內(nèi)外多品牌多型號的衛(wèi)星功放設(shè)備，解決傳統(tǒng)全自動衛(wèi)星天線只能配套使用國外品牌的專用功放設(shè)備的弊端，為國產(chǎn)品牌的衛(wèi)星功放設(shè)備提供了更多的應(yīng)用渠道;另一方面，可以根據(jù)海上業(yè)務(wù)需求靈活更換天線的信號系統(tǒng)，通過搭載微波、散射、衛(wèi)星等不同類型的信號模塊，使天線能夠拓展應(yīng)用于微波等各個無線通信領(lǐng)域。

3.2 技術(shù)路線和性能指標(biāo)

本次對全自動跟蹤天線系統(tǒng)進(jìn)行研究，實驗方法采用實驗室測試以及設(shè)備現(xiàn)場測試相結(jié)合，主要的研究實施步驟。

（1）根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)，評估系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力。

（2）系統(tǒng)通信兼容性研究，進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計。主要包括：天線的跟蹤方式的研究、系統(tǒng)原理的實現(xiàn)以及算法研究、機(jī)械部件的研究與設(shè)計、天線口徑的選型、系統(tǒng)模塊化的研究與設(shè)計、系統(tǒng)監(jiān)控軟件的研究。

（3）采取與相關(guān)廠家合作的模式，對關(guān)鍵系統(tǒng)（主要是天線機(jī)械部件）進(jìn)行開發(fā)和試制。

（4）模擬環(huán)境進(jìn)行各項功能測試。

（5） 在海上平臺設(shè)立試點，實地測試各類國產(chǎn)設(shè)備實際業(yè)務(wù)承載能力，并進(jìn)行產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性分析。

研究完成后，通過搭建測試環(huán)境，開展通信系統(tǒng)連接、聯(lián)調(diào)和實驗測試，對天線系統(tǒng)各項性能指標(biāo)測試對比分析。

（1）載體活動范圍：±30°橫搖，±30°縱搖。比以往常用的系統(tǒng)允許范圍更高：±25°橫搖，±15°縱搖。

（2）天線增益：接收37dBi@2.4m，發(fā)射41.4dBi@2.4m。在更小的尺寸接近以往常用的系統(tǒng)性能：接收38.5dBi@3.0m，發(fā)射41.7dBi@3.0m。

（3）在載體活動范圍，自動跟蹤電平損失≤1.0dB（R.M.S）。

（4）遮擋恢復(fù)時間 ≤5s。

測試分析結(jié)果表明，該天線的機(jī)械性能、電氣指標(biāo)均能符合海上應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，相對于其他品牌設(shè)備在部分指標(biāo)上還具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)在海上平臺的實際應(yīng)用

本研究的全自動跟蹤天線已在我國南海多個海上平臺和船舶推廣建設(shè)。其中，搭載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全自動跟蹤天線在國湛號、深藍(lán)探索等5艘鉆井平臺，陵水17-2氣田的深海一號深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，深水三用工作船海洋石油691上已完成安裝使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，完全滿足了各個不同類型的海上設(shè)施的通信系統(tǒng)需求[6]。

在2021年6月下旬的陵水17-2氣田投產(chǎn)儀式上，海上活動現(xiàn)場央視高清直播所選用的數(shù)據(jù)回傳通道，便是使用了通過本研究成果搭建的16M大帶寬衛(wèi)星通信鏈路。該通信鏈路通信穩(wěn)定，畫面流暢，成功保障了投產(chǎn)儀式和直播活動的順利進(jìn)行。

搭載了散射通信系統(tǒng)的全自動跟蹤天線也于2021年8月在深海一號上投入建設(shè)并成功開通應(yīng)用。通過該系統(tǒng)搭建的長達(dá)140公里的超視距散射通信鏈路，為陵水17-2氣田提供了50M的大帶寬通信網(wǎng)絡(luò)，滿足了氣田員工對寬帶網(wǎng)絡(luò)的辦公和生活需求。得益于天線系統(tǒng)的高跟蹤性能，該鏈路的通信質(zhì)量始終能夠保持較高的穩(wěn)定性，并具備較強(qiáng)的抗風(fēng)險能力。按照技術(shù)規(guī)劃，下一步除了對系統(tǒng)進(jìn)行容量能力升級和性能優(yōu)化外，還將在此高通量鏈路基礎(chǔ)上開展智能機(jī)器人巡檢、協(xié)同辦公、智能AR、安防提升等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

5結(jié)語

隨著石油勘探開發(fā)力度日益加大，未來鉆井平臺及深水油氣開采平臺對全自動跟蹤天線的需求將快速增加。由于以往跟蹤天線市場缺少國內(nèi)有力產(chǎn)品的競爭，市場已被國外公司高度壟斷。通過對全自動跟蹤天線系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究，深入掌握核心技術(shù)并取得關(guān)鍵技術(shù)的突破，不但可以加強(qiáng)國產(chǎn)品牌的市場競爭力，進(jìn)而打破國外進(jìn)口產(chǎn)品的市場壟斷，結(jié)束我國海上油氣田長期依賴國外進(jìn)口高端設(shè)備的不利局面，還能有效降低此類產(chǎn)品采購和運維成本，實現(xiàn)開源節(jié)流，從內(nèi)外兩個方面提升相關(guān)業(yè)務(wù)的經(jīng)營水平，促進(jìn)我國石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的裝備水平和競爭力上一個新臺階。

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中圖分類號：TN927.2 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-2587 第一作者：黃華山，（1983—），男，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星通信

作者簡介：黃華山（1983-），男，本科，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星通信。

劉藍(lán)天（1984-），男，本科，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星通信