中海油海上導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展綜述

張寶平

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

中海油海上導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展綜述

張寶平

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

以我國(guó)海洋石油勘探開發(fā)中地震采集作業(yè)使用的定位設(shè)備和定位技術(shù)為主線，著重介紹了中國(guó)海洋石油總公司海上導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展歷程，描述了目前在渤海海域使用的幾種先進(jìn)的差分GPS定位系統(tǒng)，討論了我國(guó)導(dǎo)航定位技術(shù)水平現(xiàn)狀以及與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，分析了導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

海洋石油；導(dǎo)航定位；DGPS；物探；發(fā)展綜述

0 引言

目前全球建成并使用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)有：美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioning System，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigation Satellite System，GLONASS）、我國(guó)的北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System，Galileo），還有日本在建的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）[1]。

海上石油開發(fā)的大型作業(yè)主要有：地震采集作業(yè)、導(dǎo)管架安裝作業(yè)、鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)對(duì)接作業(yè)、海底管道管纜鋪設(shè)作業(yè)和大型設(shè)施拖航就位作業(yè)。這些作業(yè)都要用到先進(jìn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，目前主要使用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，DGPS）。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制成功，從去年開始中國(guó)海洋石油總公司（以下簡(jiǎn)稱中海油）逐步試用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立自主研制和建設(shè)的天基衛(wèi)星導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)[2]，其授時(shí)精度不超過50 ns，符合海上石油作業(yè)定位要求。

本文以我國(guó)海洋石油勘探開發(fā)中地震采集作業(yè)使用的定位設(shè)備和定位技術(shù)為主線，以中海油為重點(diǎn)，介紹了我國(guó)海洋石油海上導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展歷程，討論了我國(guó)導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用情況、現(xiàn)有水平以及與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，分析了導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 我國(guó)海洋石油導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展歷程

我國(guó)海洋石油地震采集作業(yè)中定位測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了50年的發(fā)展，尤其是在上世紀(jì)八十年代改革開放后，開展與國(guó)外公司合營(yíng)、合作，不斷引進(jìn)先進(jìn)的定位技術(shù)和裝備，在海上石油的勘探開發(fā)中，我國(guó)定位導(dǎo)航技術(shù)達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

1963-1965年我國(guó)海洋物探作業(yè)開展初期，缺乏海洋定位導(dǎo)航專用設(shè)備。在海上地震采集作業(yè)中，其測(cè)量方法基本上是搬用陸地上測(cè)量點(diǎn)位的方法，為此專門成立了一個(gè)海陸測(cè)量建標(biāo)隊(duì)。在近海地區(qū)，利用國(guó)家測(cè)繪部門在海岸已建的三角點(diǎn)或自行補(bǔ)建大地點(diǎn)通用的鋼質(zhì)覘標(biāo)，或選擇近海處的高大建筑物頂端，測(cè)量其坐標(biāo)位置做為控制點(diǎn)；遠(yuǎn)離海岸時(shí)，則在海上建簡(jiǎn)易鋼質(zhì)覘標(biāo)，用前方交會(huì)法測(cè)出坐標(biāo)位置。物探船就根據(jù)這些基本控制點(diǎn)，使用光學(xué)六分儀，采用后方交會(huì)法測(cè)定地震炮點(diǎn)和重力觀測(cè)點(diǎn)位置。經(jīng)反復(fù)觀測(cè)，采用第四個(gè)控制點(diǎn)校核，精度一般可控制在15 m左右。定位人員用經(jīng)緯儀定方向，測(cè)繩量距離的附合導(dǎo)線及支導(dǎo)線測(cè)量方法，來測(cè)定物探點(diǎn)位；深海物探作業(yè)使用六分儀確定測(cè)線起始點(diǎn)，而后使用航海羅經(jīng)儀定向、六分儀測(cè)天文核校、航速定距來確定點(diǎn)位，在物探測(cè)線終點(diǎn)用陸上控制點(diǎn)做前方交會(huì)核校，誤差達(dá)到1～3海里。

1966年從法國(guó)引進(jìn)TORAN 3P（道朗3P）無線電定位儀，應(yīng)用于深海物探的定位導(dǎo)航，并與國(guó)內(nèi)廠家協(xié)作，將GHJ-500W歸航機(jī)改裝為定位儀，解決重力、磁力勘探的定位導(dǎo)航問題。為此，專門成立了無線電定位隊(duì)，初步擁有了適合海洋石油物探作業(yè)的定位設(shè)備，測(cè)量定位精度提高到20 m以內(nèi)。但由于這種設(shè)備是雙曲線相位系統(tǒng)，只適應(yīng)白天作業(yè)，而且受天波干擾時(shí)容易發(fā)生整相位數(shù)值混亂，所以仍然需要由建標(biāo)隊(duì)在物探作業(yè)的海域建造簡(jiǎn)易鋼質(zhì)覘標(biāo)或大量拋放燈鼓，供物探作業(yè)船隊(duì)在每日作業(yè)的始、末時(shí)間對(duì)定位儀進(jìn)行對(duì)標(biāo)校核。有時(shí)在作業(yè)中會(huì)突然遭遇雷電干擾，使定位數(shù)據(jù)失真，往往造成物探采集資料報(bào)廢。

1974年，引進(jìn)了TORANP100（道朗P100）型具有一級(jí)相識(shí)別功能的定位儀，但仍需日出而作，日落而息地定時(shí)進(jìn)行相位對(duì)標(biāo)檢測(cè)，致使物探作業(yè)效率受到影響。1977年在北黃海地震作業(yè)中也曾使用過國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)河1號(hào)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，但其定位質(zhì)量?jī)H能滿足區(qū)域概查要求。在這一時(shí)期，為解決定位技術(shù)落后的狀況，曾求助于國(guó)內(nèi)有關(guān)科研單位仿制相識(shí)別儀，或支持自己公司的技術(shù)人員與外單位協(xié)作試制不對(duì)標(biāo)定位儀，但終因國(guó)內(nèi)技術(shù)、設(shè)備、工業(yè)基礎(chǔ)水平所限而未獲成功。

由于我國(guó)定位技術(shù)和設(shè)備的落后，1979-1982年間我國(guó)海域的石油勘探定位市場(chǎng)分別被新加坡杰阿曼克斯公司和英國(guó)臺(tái)卡測(cè)量公司所占領(lǐng)，他們?cè)诓澈！ⅫS海和南海分別布設(shè)了當(dāng)時(shí)世界上較為先進(jìn)的SYLEDIS（塞里第斯）、ARGO（阿戈）、MAXIRAN（馬西蘭）和PULSE/8（脈沖/8）等無線電定位系統(tǒng)。

1982年中海油成立前后期間，為適應(yīng)海洋石油勘探全面對(duì)外合作的新要求，加速了定位設(shè)備的引進(jìn)。這一時(shí)期引進(jìn)了MX-1502大地衛(wèi)星接收機(jī)、SYLEDIS無線電定位系統(tǒng)和船用綜合衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。1983年成立中外合資公司后，先后使用了SYLEDIS、HYPERFIX（哈波菲克斯）、ARGO、PULSE/8、MAXIRAN、Transponder等陸基無線電定位系統(tǒng)。

隨著GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，定位領(lǐng)域出現(xiàn)了一場(chǎng)前所未有的革命，它徹底地改變了傳統(tǒng)的定位技術(shù)。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代，國(guó)際上在海洋定位作業(yè)中普遍采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及差分GPS定位技術(shù)，取代了臺(tái)站多、費(fèi)用高、人員多的陸基無線電定位系統(tǒng)，使海上定位作業(yè)實(shí)現(xiàn)了全天候、全覆蓋（600 km）、低成本、高精度（1～3 m）的要求。在GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)的初期（1993年），中方相繼先后引進(jìn)了GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）定位技術(shù)及差分GPS數(shù)據(jù)鏈設(shè)備（如Deltafix DGPS、NR103 DGPS、Skyfix DGPS等）。由于采用差分GPS定位技術(shù)，不但使控制范圍更加擴(kuò)大，同時(shí)取消了原先布設(shè)在沿海的陸地?zé)o線電定位臺(tái)站，使作業(yè)成本大幅度降低。1993-1994年，中方利用英國(guó)雷卡測(cè)量公司布設(shè)在香港、越南、日本等地的GPS控制點(diǎn)，與我方布設(shè)在沿海地區(qū)的控制點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，并由雷卡公司使用美國(guó)精密星歷進(jìn)行平差處理，建立了納入世界WGS-84坐標(biāo)系的GPS大地控制網(wǎng)，使各海區(qū)定位作業(yè)的坐標(biāo)建立在統(tǒng)一、可靠的基礎(chǔ)上。

在上世紀(jì)90年代初引進(jìn)Deltafix陸基差分GPS定位系統(tǒng)之后，很快又引進(jìn)了外方母公司的Skyfix星基差分GPS定位系統(tǒng)，這樣在我國(guó)海域作業(yè)的物探船上就有了兩套完全獨(dú)立的差分GPS定位系統(tǒng)，從而使物探作業(yè)的定位工作不受任何天氣及其他干擾因素的影響，保證其作業(yè)全天候24 h不間斷進(jìn)行。

為進(jìn)一步提高定位精度，滿足渤海地震采集作業(yè)的需要，中海油又引進(jìn)了Starfix-XP及Starfix.G2衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)，這兩種定位系統(tǒng)都是利用衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星時(shí)鐘的誤差進(jìn)行差分修正，其定位精度在水平方向達(dá)到10 cm，在垂直方向達(dá)到20 cm。另外Starfix.G2差分定位系統(tǒng)利用了GPS+ GLONASS雙星系統(tǒng)[3]，可避免在定位作業(yè)中因衛(wèi)星受建筑物和結(jié)構(gòu)遮擋而使定位質(zhì)量降低的情況發(fā)生。

2 渤海海域使用的差分GPS定位系統(tǒng)

渤海海域目前已擁有多種差分GPS定位系統(tǒng)，它可以按用戶的不同需求，提供多種不同的差分解算服務(wù)，如單頻差分解算Starfix.L1、Deltafix，雙頻載波相位差分解算Starfix-HP，以及衛(wèi)星軌道與時(shí)鐘差分定位系統(tǒng)解算Starfix-XP、Starfix.G2，另外在StarPack接收設(shè)備的解算軟件中還可對(duì)多種差分解算進(jìn)行加權(quán)，得到一種最好的差分解算（Best Position），以達(dá)到一種更好的定位解算精度。

2.1 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS衛(wèi)星定位基本原理：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。實(shí)際上是將衛(wèi)星作為動(dòng)態(tài)空間已知點(diǎn)，利用距離交會(huì)的原理確定接收機(jī)的三維位置。

GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組成：空間部分、控制部分（地面支撐系統(tǒng)）、用戶設(shè)備部分。GPS定位系統(tǒng)的民用精度也只能達(dá)到20 m左右，這種定位精度還是無法滿足工程測(cè)量、海洋物探等作業(yè)的定位要求。

2.2 差分GPS（DGPS）

為了提高GPS定位系統(tǒng)的定位精度，早在上世紀(jì)90年代初期GPS全球定位系統(tǒng)剛剛面世時(shí)，為反制美國(guó)的SA政策，多國(guó)科學(xué)家開發(fā)了DGPS定位技術(shù)，極大地提高了原GPS定位系統(tǒng)的定位精度，使DGPS的水平定位精度達(dá)到1～3 m左右，滿足了許多定位領(lǐng)域的要求。此外，海洋潮汐是沿海GPS高精度測(cè)量的關(guān)鍵誤差來源之一[4]，DGPS糾正了該誤差，從而使DGPS技術(shù)得到了廣泛使用。

DGPS技術(shù)就是利用兩臺(tái)接收機(jī)于兩個(gè)測(cè)量站上同時(shí)測(cè)量來自同一個(gè)GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)，其中一個(gè)測(cè)量站位于業(yè)已測(cè)定的已知點(diǎn)，設(shè)在該已知點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）的GPS信號(hào)接收機(jī)，叫做基準(zhǔn)接收機(jī)，它和安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS信號(hào)接收機(jī)（簡(jiǎn)稱為動(dòng)態(tài)接收機(jī)）同時(shí)測(cè)量來自同一個(gè)GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)。基準(zhǔn)接收機(jī)所測(cè)得的三維位置與已知點(diǎn)值進(jìn)行比較，便可獲得GPS定位數(shù)據(jù)的校正值。如果及時(shí)將GPS校正值發(fā)送給若干臺(tái)共視衛(wèi)星用戶的動(dòng)態(tài)接收機(jī)，而改正后者所測(cè)得的實(shí)時(shí)位置，這叫做實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法。

2.3 Starfix-XP系統(tǒng)

新一代定位系統(tǒng)Starfix-XP已在渤海海域使用，該系統(tǒng)不受差分臺(tái)的距離限制，能夠?yàn)槭汀⑻烊粴夂退牡乩淼裙I(yè)領(lǐng)域提供更高精度和質(zhì)量的定位服務(wù)。Starfix-XP在水平方向能夠達(dá)到0.1 m的定位精度，在垂直方向達(dá)到0.2 m的精度，該系統(tǒng)服務(wù)能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已往差分GPS定位市場(chǎng)所要求的定位精度和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Starfix-XP屬于衛(wèi)星差分GPS定位系統(tǒng)（SDGPS），該技術(shù)是通過定位公司全球跟蹤站網(wǎng)絡(luò)來不斷跟蹤所有GPS衛(wèi)星的軌道，全球跟蹤站網(wǎng)絡(luò)能夠按順序地識(shí)別、孤立和測(cè)量每一個(gè)誤差和遮擋源，如軌道的改變和時(shí)鐘變化，從而為每一個(gè)GPS衛(wèi)星提供一整套的差分信息。該項(xiàng)突破性技術(shù)包含了動(dòng)態(tài)高精度和完全可靠的差分信息，對(duì)任何地方都是有效的，不需要指定參考臺(tái)，不受距離限制，真正實(shí)現(xiàn)了全球化準(zhǔn)確定位。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著GPS、GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善和更新，以及Galileo、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建立，能夠兼容多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)必然成為接收機(jī)硬件發(fā)展的趨勢(shì)[5]，最新一款接收設(shè)備正在生產(chǎn)廠家進(jìn)行測(cè)試，它同時(shí)能接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗等多套衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

目前中海油海上定位設(shè)備主要有水上和水下兩大類，且與國(guó)際接軌，其中水上定位設(shè)備主要使用美國(guó)天寶（Trimble）和加拿大諾瓦泰（Novatel）兩個(gè)品牌。Trimble5800接收機(jī)是一個(gè)堅(jiān)固的集成測(cè)繪單元，包含性能優(yōu)良的GPS接收機(jī)、GPS天線、無線電藍(lán)牙通信和內(nèi)部微型電池，具有體積小和重量輕的特點(diǎn)，非常適合RTK流動(dòng)站工作[6]；TrimbleSPS351信標(biāo)接收機(jī)是一款性價(jià)比極高的亞米級(jí)精度的水上應(yīng)用產(chǎn)品，可滿足水上施工、測(cè)量等眾多需求，它結(jié)合了成熟的DGPS定位技術(shù)和簡(jiǎn)單易用的用戶界面，軟件性能完善。諾瓦泰的OEM6和OEMStar接收機(jī)通過固件升級(jí)實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的跟蹤，整合到已有的GPS、GLONASS、Galileo信號(hào)接收，隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)ICD（Interface Control Document）[7]的發(fā)布，Novatel目前可直接通過接收機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)北斗定位。

在差分GNSS（Global Navigation Satellite System）[8]技術(shù)方面，中海油正在研究各種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)，PPP技術(shù)較相對(duì)定位技術(shù)具有一些優(yōu)勢(shì)，如單機(jī)作業(yè)方便靈活、成本低；測(cè)量站之間相互獨(dú)立，無誤差傳遞；不需進(jìn)行衛(wèi)星間求差，模型簡(jiǎn)單；定位精度不受測(cè)站與基準(zhǔn)站之間的距離限制，精度均勻，可直接實(shí)現(xiàn)在ITRF（InternationalTerrestrialReference Frame）框架下的高精度定位[9]。

目前我國(guó)海洋石油海上定位技術(shù)與國(guó)際上的差距主要體現(xiàn)在有無動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System，DPS）[10]和定位精度上。我國(guó)自升式鉆井平臺(tái)和半潛式鉆井平臺(tái)與固定生產(chǎn)平臺(tái)的對(duì)接就位，大部分通過鉆井平臺(tái)的四個(gè)錨的收放作業(yè)，以及與GPS和全站儀的配合來實(shí)現(xiàn)初就位和精就位，而美國(guó)等定位技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家則直接通過DPS控制船體。該系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，目前國(guó)際上動(dòng)力定位系統(tǒng)最高定位級(jí)別是DP3，2012年5月投入使用的海洋石油981鉆井平臺(tái)采用的就是DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)。在定位精度方面，我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度為20 m、綜合定位精度為0.1 m，而美國(guó)的GPS定位精度為10 m[11]、綜合定位精度可以達(dá)到0.01 m，可見在定位精度方面，兩者還存在較大差距。

從以上分析可以看出，我國(guó)海洋石油海上定位技術(shù)發(fā)展的主要路線是引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，從而達(dá)到迅速提高海上定位技術(shù)水平和服務(wù)能力的目的；同時(shí)通過自身努力，逐步實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。目前與國(guó)外定位技術(shù)和設(shè)備相比盡管仍然存在一定差距，但是自從北斗導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用后，差距正在逐步縮小。

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，使海上大型聯(lián)合作業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)有了更多的選擇。2020年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，屆時(shí)我國(guó)海洋石油海上大型作業(yè)將實(shí)現(xiàn)獨(dú)立依靠北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位的目標(biāo)。

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Overview on Navigation and Positioning Technology Development of China NationalOffshore OilCorporation

Zhang Baoping
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China

By taking the positioning equipment and techniques of seismic data acquisition operations in domestic offshore oil exploration and development as the main line，this paper puts the emphasis on the navigation and positioning technology development course of China National Offshore Oil Corporation，and describes several advanced differential GPS positioning systems applied in Bohai Sea.Then it discusses current status of domestic navigation and positioning technology and the disparity compared with advanced international level，and analyzes the development trend of navigation and positioning technology.

offshore petroleum；navigation and positioning；DGPS；physicalexploration；development overview

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.001

張寶平（1981-），男，山東青州人，工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，主要從事海上鉆井平臺(tái)定位技術(shù)、就位方案設(shè)計(jì)、插拔樁方面的技術(shù)研究工作。

2014-10-22；

2015-02-25