淺析全自動(dòng)跟蹤天線在海上裝置的研究與應(yīng)用

黃華山 劉藍(lán)天 徐荔武 劉田保

摘要：鉆井平臺(tái)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(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星、微波等無(wú)線通信的無(wú)線信號(hào)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(duì)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(dòng)跟蹤天線設(shè)備均為國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)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(guó)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(shí)例，介紹了對(duì)全自動(dòng)跟蹤天線的國(guó)產(chǎn)化研究以及其在南海鉆井平臺(tái)上的推廣應(yīng)用情況。實(shí)際應(yīng)用情況表明，針對(duì)海洋作業(yè)環(huán)境研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化天線，完全能夠替代國(guó)外進(jìn)口設(shè)備滿足我國(guó)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(tái)通信? 全自動(dòng)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(guó)海洋石油勘探開發(fā)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在祖國(guó)遼闊的藍(lán)色國(guó)土上進(jìn)行油氣開發(fā)作業(yè)的海上鉆井平臺(tái)、勘探船、油輪等海上油氣裝置的數(shù)量也越來(lái)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(wú)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(tái)等海上船舶的船體往往處于運(yùn)動(dòng)和搖擺狀態(tài)，而衛(wèi)星、微波等無(wú)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(dòng)對(duì)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(tái)等海上裝置對(duì)通訊業(yè)務(wù)需求也在擴(kuò)大。為緊抓市場(chǎng)機(jī)遇，提升海洋能源行業(yè)生產(chǎn)信息化水平，我們對(duì)全自動(dòng)跟蹤通信天線系統(tǒng)展開研究，力爭(zhēng)擺脫對(duì)國(guó)外壟斷品牌的依賴，降低在海上移動(dòng)平臺(tái)的通訊業(yè)務(wù)開展成本。同時(shí)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(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)自動(dòng)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(dòng)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(jì)開發(fā)方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，而美國(guó)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(xiàng)核心技術(shù)。SeaTel公司設(shè)計(jì)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(wú)愧的佼佼者。

在國(guó)內(nèi)，衛(wèi)星跟蹤天線系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)研發(fā)工作大多由國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速提升，民用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)近年來(lái)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(jià)格，以及基礎(chǔ)研究滯后等因素，衛(wèi)星跟蹤天線市場(chǎng)的大部分份額依然歸國(guó)外公司所有。

2全自動(dòng)跟蹤天線在中國(guó)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(dòng)跟蹤天線系統(tǒng)較多的為鉆井平臺(tái)。鉆井平臺(tái)是主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，平臺(tái)上裝有鉆井、動(dòng)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(shí)，鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期處于遠(yuǎn)離陸地的海洋之中，不僅手機(jī)信號(hào)存在覆蓋盲區(qū)，光纖、通信電纜等通信手段也無(wú)法企及。尤其是在鉆井平臺(tái)航行過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，鉆井平臺(tái)基本上都會(huì)配備全自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星天線以滿足平臺(tái)在海上及生產(chǎn)作業(yè)時(shí)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(guó)北方海域，而在降雨較多的南方海域較少使用。

我國(guó)南海向來(lái)是石油勘探開發(fā)的重點(diǎn)發(fā)展海域，尤其是近年來(lái)我國(guó)一直在加大力度推動(dòng)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(wú)線通信也成為了我們需要重點(diǎn)研究的通信技術(shù)方向。

3系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容與特點(diǎn)

本項(xiàng)目研究以國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星通信全自動(dòng)跟蹤天線為基礎(chǔ)，以廣義的定向輻射天線作為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝置天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)擁有項(xiàng)目研究所需的各類測(cè)試及輔助設(shè)備，可滿足項(xiàng)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(tái)均可作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)所，因此在硬件設(shè)施和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上完全滿足系統(tǒng)的研究與開發(fā)條件。

3.1 主要研究?jī)?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(tái)屬于半潛式平臺(tái)，平臺(tái)會(huì)有輕微搖擺，這對(duì)自動(dòng)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(yàn)。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，針對(duì)海洋環(huán)境中的動(dòng)態(tài)載體的運(yùn)動(dòng)特性，著重對(duì)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(tái)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(tái)設(shè)計(jì)，初始對(duì)準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)，跟蹤方式以及算法設(shè)計(jì)，慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。其中，慣導(dǎo)系統(tǒng)利用慣性導(dǎo)航測(cè)量載體姿態(tài)并進(jìn)行跟蹤計(jì)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(guó)外全自動(dòng)天線系統(tǒng)相比的一項(xiàng)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(guó)產(chǎn)化優(yōu)勢(shì)，對(duì)天線進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。一方面，使天線系統(tǒng)可以兼容國(guó)內(nèi)外多品牌多型號(hào)的衛(wèi)星功放設(shè)備，解決傳統(tǒng)全自動(dòng)衛(wèi)星天線只能配套使用國(guó)外品牌的專用功放設(shè)備的弊端，為國(guó)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(hào)系統(tǒng)，通過(guò)搭載微波、散射、衛(wèi)星等不同類型的信號(hào)模塊，使天線能夠拓展應(yīng)用于微波等各個(gè)無(wú)線通信領(lǐng)域。

3.2 技術(shù)路線和性能指標(biāo)

本次對(duì)全自動(dòng)跟蹤天線系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)方法采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合，主要的研究實(shí)施步驟。

（1）根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)，評(píng)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(jì)。主要包括：天線的跟蹤方式的研究、系統(tǒng)原理的實(shí)現(xiàn)以及算法研究、機(jī)械部件的研究與設(shè)計(jì)、天線口徑的選型、系統(tǒng)模塊化的研究與設(shè)計(jì)、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(duì)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(xiàng)功能測(cè)試。

（5） 在海上平臺(tái)設(shè)立試點(diǎn)，實(shí)地測(cè)試各類國(guó)產(chǎn)設(shè)備實(shí)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(guò)搭建測(cè)試環(huán)境，開展通信系統(tǒng)連接、聯(lián)調(diào)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)天線系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試對(duì)比分析。

（1）載體活動(dòng)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(dòng)范圍，自動(dòng)跟蹤電平損失≤1.0dB（R.M.S）。

（4）遮擋恢復(fù)時(shí)間 ≤5s。

測(cè)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(duì)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(shì)。

4 系統(tǒng)在海上平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用

本研究的全自動(dòng)跟蹤天線已在我國(guó)南海多個(gè)海上平臺(tái)和船舶推廣建設(shè)。其中，搭載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全自動(dòng)跟蹤天線在國(guó)湛號(hào)、深藍(lán)探索等5艘鉆井平臺(tái)，陵水17-2氣田的深海一號(hào)深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，深水三用工作船海洋石油691上已完成安裝使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，完全滿足了各個(gè)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(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(dòng)的順利進(jìn)行。

搭載了散射通信系統(tǒng)的全自動(dòng)跟蹤天線也于2021年8月在深海一號(hào)上投入建設(shè)并成功開通應(yīng)用。通過(guò)該系統(tǒng)搭建的長(zhǎng)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(duì)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(xiǎn)能力。按照技術(shù)規(guī)劃，下一步除了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行容量能力升級(jí)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(yǔ)

隨著石油勘探開發(fā)力度日益加大，未來(lái)鉆井平臺(tái)及深水油氣開采平臺(tái)對(duì)全自動(dòng)跟蹤天線的需求將快速增加。由于以往跟蹤天線市場(chǎng)缺少國(guó)內(nèi)有力產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，市場(chǎng)已被國(guó)外公司高度壟斷。通過(guò)對(duì)全自動(dòng)跟蹤天線系統(tǒng)的國(guó)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(guó)產(chǎn)品牌的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而打破國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的市場(chǎng)壟斷，結(jié)束我國(guó)海上油氣田長(zhǎng)期依賴國(guó)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(gòu)和運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)開源節(jié)流，從內(nèi)外兩個(gè)方面提升相關(guān)業(yè)務(wù)的經(jīng)營(yíng)水平，促進(jìn)我國(guó)石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的裝備水平和競(jìng)爭(zhēng)力上一個(gè)新臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

[1] 張晨瑤.推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)深度融入“一帶一路”建設(shè)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2020.

[2] 趙來(lái)定.衛(wèi)星通信移動(dòng)地球站Ka天線及跟蹤技術(shù)的研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2019.

[3]王立群.海洋鉆井平臺(tái)生產(chǎn)計(jì)劃的量化平衡研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2019.

[4]謝玉洪.中國(guó)海油近海油氣勘探實(shí)踐與思考[J].中國(guó)海上油氣，2020，32（2）：1-13.

[5]李超.北斗/GPS導(dǎo)航接收及抗干擾天線研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[6]李曉東.HFSWR遠(yuǎn)程多海況下海洋表面動(dòng)力學(xué)要素提取及預(yù)測(cè)方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

中圖分類號(hào)：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(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信

作者簡(jiǎn)介：黃華山（1983-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

劉藍(lán)天（1984-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信