提高海上平臺衛星鏈路穩定性的三種方法

郭欣宇

摘要：某氣田作為重要的天然氣生產平臺，為了保證下游生產的不中斷，在臺風來臨時，生產人員全部撤離平臺期間需要通過衛星鏈路對平臺生產狀況進行監測、調整。但是在臺風、暴雨等惡劣氣候條件下，衛星通訊鏈路的通訊質量也會惡化，甚至不能滿足通訊傳輸的需求，可能導致生產不能繼續進行，蒙受巨大的損失。本文結合某平臺衛星通訊的特點和實際工作狀況，提出改善該平臺衛星通訊鏈路質量的三種方法。

關鍵詞：平臺;衛星鏈路;穩定性

1 引言

某氣田位于南海北部鶯歌海海域，海南省鶯歌海鎮正西方約100KM處，氣田由三座井口平臺和一座中心處理平臺以及一個陸地終端組成。中央控制系統由五部分組成，四個部分通過光線連接，雙網配置，共用兩個互為備份的服務器，構成一套系統。雙網、雙服務器冗余配置構成另外一套系統。

除了完成終端的控制外，在正常情況下可以對其他四個部分的參數進行監督，在臺風到來的情況下，還可以完成對其他四個部分的控制和聯鎖停機，從而實現其余四部分的無人值守。

陸地終端和海上平臺的兩個中控系統之間通過衛星通訊鏈路交互數據。衛星通訊系統拓撲結構如圖1所示。

2 提高衛星鏈路質量的三種方法

某終端中控系統在臺風遙控模式下每分鐘發送一個檢測信號，如果平臺中控系統15分鐘內沒有收到此信號，平臺中控系統將視為通訊中斷，為了保證安全將啟動自動關停程序，所以衛星通訊鏈路的穩定對避臺期間的生產來說至關重要。但臺風期間的大雨和平臺晃動等因素會對衛星通訊質量產生很大影響，如何克服這些影響，保障生產的順利進行，本文結合某平臺衛星通訊的特點和實際工作狀況，提出改善該平臺衛星通訊鏈路質量的三種方法。

2.1功帶平衡下的調制編碼方式選擇

在數字調制中，信號傳輸的質量主要取決于比特差錯率（BER），而對BER起重要影響的便是噪聲功率譜密度比（Eb/No），不同的編碼方式達到相同BER的Eb/No是不同的。

如果選用低階的編碼方式和高的糾錯率，可以在Eb/No很低的情況下滿足BER = 10-8的要求，但同這時的頻譜使用效率（單位頻帶的傳輸比特率）就很低。而對于衛星轉發器而言，是接收和轉發衛星與地球站之間的無線電信號，主要處理的是模擬信號和數字信號，它可以通過帶寬或者功率來進行發射信號，但同樣也占用了有限的寶貴資源，衛星運營上收費將綜合考慮帶寬和功率的占用情況來計算。

在為某平臺鏈路設計選擇調制編碼方式時既要考慮頻譜利用率的高效，用來節省衛星頻帶，又需要考慮傳輸質量，但這兩個需求經常是互相矛盾的，所以在實際參數選擇和系統的設計方面，兩者又必須取得平衡。經過權衡考慮，我們從節省帶寬和實際應用方面考慮從以上方面考慮，采取了折中方式，正常使用時確定了選用 Turbo FEC 3/4和QPSK方式，臺風來臨前兩天根據氣象預報的情況通過遠程遙控的方式將編碼方式調整為Turbo BPSK Rate 21/44，通過表1可以看到，該參數的改動可以帶來1.1dB的系統余量，同時通過與衛星公司協商臨時增加衛星站的發射電平值，能有效的抵消環境因素帶來的部分影響。

2.2衛星功放設備的選擇

衛星功放由上行設備高功放（HPA）和下行設備低噪聲放大器（LNA）兩部分組成。

衛星站高功放（HPA）是衛星上行站中的一個重要設備，能夠讓基帶信號轉換成衛星的信號傳輸，高功放維護的具體內容包括：風冷系統的維護、高功效前面板LED測試、波導電弧測試、顯示顏色測試等，高功放工作效率高低，決定了電視的安全、流暢的播出，所以越來越多的高功放進入了改造升級的步驟。

微波射頻低噪聲放大器（LNA）是衛星下行設備中一個非常重要的設備，常用于接受信號，并在放大信號的同時，完成降噪的工作，衛星放大器的改革主要是性能的改進，并通過更好的設備完成降本的目的。如圖下所示。這里的每一種結構或者以單端形式出現，或者以差分形式出現。

由于衛星功放在對全系統的穩定性有重要的影響，作為大功率有源設備設備，衛星功放的故障率在全系統設備中是最高的，為了將減小衛星功放故障對通訊鏈路的影響，可采取1：1熱備份功放系統，即使用兩臺功放，可通過切換設備進行自動、手動切換。

某平臺的衛星鏈路需要保證中控數據傳輸，所以在衛星通訊設備方面也需要做響應的備份手段，通過使用1：1熱備份功放系統，當其中一臺設備故障以后可自動切換到另一臺工作，無須人工干預，設備切換造成中斷時間約為10S，對全系統無重大影響。

2.3衛星天線罩的選擇

天線罩對于衛星天線和室外功放是一種保護裝置，雖然衛星天線和功放按照室外工作標準設計，但良好的工作環境可以有效的保護天線系統免受外部環境的影響、延長整個衛星小站室外系統的壽命、保護天線表面和位置的精度。

在某平臺使用的衛星天線罩為泡沫夾層結構截球型，整罩由26塊單元板塊組裝而成，單元板塊由具有一定電氣厚度的夾芯泡沫及內外蒙皮構成，內外表面覆有白色防老化涂層。板塊間通過預埋在玻璃鋼實心邊肋上的螺母由螺栓連接為整體，連接件全部采用不銹鋼材料，板塊搭接邊夾有橡膠密封條，節點處采用性能較好的硅橡膠，保證天線罩的防雨性能。該天線罩可的性能指標如下：

●適用頻段：C波段（4-6 GHz）

●整罩單程功率傳輸損耗：≤0.30dB

●單元件單程功率傳輸損耗：≤0.20dB

●抗風能力：67米/秒

●環境溫度：-50℃～+70℃

●相對濕度：0～100%

●冰雪負荷：不小于300公斤/平方米

3 結論

通過以上三種方法在某平臺衛星通訊系統中的應用，更好的提高衛星通訊效率、減小了傳輸損耗、保證通信質量，最終通過三種方法的應用降低了衛星通訊的成本，通過在臺風期間的試驗與應用，基本解決了避臺期間通訊鏈路保障的問題，取得了良好的效果，為保障平臺正常生產做出了積極的貢獻。

參考文獻：

[1] 丹尼斯·羅迪 著，張更新，劉愛軍，張杭，童新海 譯，《衛星通信（第三版）》，人民郵電出版社，2002

[2] Comtech EF Data，CDM-570/570L Installation and Operation Manual，2006

[3] 中國衛星通信集團，《衛星通信鏈路計算》，2010

基金項目：

深圳市科技計劃技術攻關項目（JSGG20170413170110695）

（作者單位：中海油信息科技有限公司）