北斗星基增強技術在海洋油氣開發中的應用研究

葉華文

摘 要 衛星導航定位技術是對海洋石油開發起著關鍵性支撐作用的核心技術，但一直以來被GPS 系統壟斷。近年來隨著中國北斗導航系統的推廣與成熟，為更好地貼合海洋石油作業運營需求，利用星基增強技術研發出了一套基于北斗導航，且滿足海洋油氣開發所需的高精度位置服務的整體應用解決方案。

關鍵詞 北斗;星基增強;海洋油氣開發;應用

引言

全球目前有四大導航衛星系統，中國北斗、美國GPS 、俄羅斯GLONASS 和歐盟GALILEO ，統稱為GNSS ，其應用場景非常廣泛，包括手機業、汽車業、航空業、鐵路業、航海業、農業、測繪業以及授時產業等。2018年中國產業規模超三千億元，全球產業規模超萬億元，增長率超15%。但直接使用原始衛星信號進行定位的精度很差，一般大于10m，無法滿足工業級場景需求，民用效果也不好，比如手機打車經常定不準。

為了更好地貼合海洋石油作業運營需求，打破國外GPS 產品的壟斷，實現降本增效，對北斗導航、星基增強等技術的融合應用開展探索，研發出了一套滿足海洋油氣開發所需的高精度位置服務的應用系統解決方案。

1 簡述高精度衛星定位技術

目前提升衛星定位精度的技術主要有地基增強技術和兩種。①地基增強技術。地基增強技術是通過在地面建設地基增強站，依托這些站點和通信網絡，播發地面基準站的差分數據給各類需要高精度定位的終端，輔助終端通過RTK算法獲得高精度的定位，達到毫米級到亞米級不等。地基增強的精度雖然很高，但覆蓋范圍卻有一定限制該技術存在單個基準站有效距離短、雙向通訊泄露用戶隱私、大范圍組網應用成本過高、海上無法使用等諸多局限。②星基增強技術。星基增強技術是指通過在地面建設星基增強站，依托這些站點和搭載衛星導航增強信號轉發器的地球靜止軌道（GEO）衛星，來向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等誤差修正信息，實現對于原有衛星導航系統定位進度的改進。該技術能夠有效彌補地基增強系統的不足，解決因地域限制而出現通信能力限制的問題。但目前相關星基增強技術產品全部是外國公司基于GPS進行研發的，而這又帶來兩個直接問題：一是信息泄露隱患，二是高額的服務費[1]。

2 系統介紹

針對海洋工程及動力定位DP船舶所需的高精度位置服務需求，基于中國北斗導航系統進行研發。通過部署在全球的近百個星基增強站，對太空中所有的北斗導航衛星進行7*24實時連續監測，獲得其原始的多頻偽距、載波相位觀測值等數據，進而計算出每一顆衛星的精密衛星軌道、精密鐘差以及全球的電離層對流層延遲等信息，再播發給海陸多行業用戶使用，實現厘米級的定位和納秒級的授時。

該應用系統包括：連續運行基準站子系統、系統控制與數據中心、數據通信子系統、用戶應用子系統等四部分。其中：①連續運行基準站子系統：包含北斗跟蹤接收機和天線、VPN、UPS等設備，主要用于對衛星信號的捕獲、跟蹤、采集和數據傳輸;全球星基增強精度計算。②系統控制與數據中心：由高性能服務器、防火墻、VPN 、多屏顯示器等設備構成，主要用于對基準站運行狀態、網絡連接狀態、產品狀態等進行監控。③數據通信子系統：由VPN 、專線公網、L 波段衛星等構成，負責將基準站導航衛星觀測數據傳輸至數據中心，待處理完成后再將星基增強數據播發至用戶端。④用戶應用子系統：包括高精度導航定位接收機、車載定位終端、手機定位終端等，負責按照用戶需求進行不同精度定位。

該套系統采用完全自主知識產權的算法，突破以北斗為主的多模多頻高精度接收機整機等關鍵技術，擺脫對GPS/GLONASS 系統的依賴，具有以下優勢：①支持單北斗BDS服務，并兼容美國GPS 、俄羅斯GLONASS 、歐盟GALILEO;②構建了全球統一的時空基準框架;③實現了高精度定位、納秒級授時;④單向播發保護用戶隱私;⑤支持互聯網/L-band 衛星同步播發;⑥不限用戶數量。在經過嚴格的前期陸地靜態測試、陸地車載動態測試、海上船載動態測試后，定位精度、可靠性和穩定性均達到了設計要求，該系統將于近期順利接入海油南方海域某作業船舶的動力定位DP 系統，為打破外國高精度衛星導航產品在中國海洋油氣開發中的壟斷邁出關鍵性一步[2]。

3 應用前景

北斗星基增強技術不僅可以在海洋石油開發中發揮著關鍵的支撐作用，未來還可以在全球范圍，提供分米級（10厘米以內）的高精度定位，這意味著該項技術完全可以向多個國民經濟支柱產業進行推廣，有效促進相關行業的供給側改革。

①海洋工程導航定位服務：鉆井船井口就位、導管架安裝、FPSO 船位監控、海底管纜敷設等施工過程中的水上水下導航定位服務。②海洋工程預后調查服務：水深測量、地質構造勘察等工程勘察過程的導航定位服務。③船舶定位服務：為各類施工船只提供導航定位服務，尤其是動力定位船舶對高精度導航定位有剛性需求。④陸地變形監測服務：利用高精度衛星導航技術，可對石油管線、化工儲罐等重要生產設施實現毫米級別位移監測，用以保障安全生產。⑤人工/無人機巡檢服務：巡檢人員利用手持北斗平板，對巡查線路以及管道附屬設施的故障進行精確定位和信息采集，并可實時地將定位數據和巡檢信息發回管理中心。⑥人員資產跟蹤服務：可通過小型化北斗定位終端，對廠區人員及重要資產實現實時定位跟蹤、歷史軌跡查詢及電子圍欄管理等功能。

4 結束語

通過對北斗導航、星基增強等技術開展系統研發，打造一套切實滿足海洋石油開發精度需求、完全自主、絕對保密的高精度衛星導航解決方案，能夠有效保障國家海洋能源安全，更可大幅降低終端用戶每條船每年的國外信號使用費，降低采油成本，實現降本增效，從而能夠幫助油氣企業更加積極、有效地應對國際原油價格低迷的沖擊。

參考文獻

[1] 周兵.北斗衛星導航系統發展現狀與建設構想[J].無線電工程， 2016，46（4）：1-4.

[2] 張楊.北斗衛星導航系統在海事管理中的應用研究[J].中國水運（下半月），2019，19（12）：26-27，44.

作者簡介

葉華文（1987-），男，廣東湛江籍人;畢業院校：西南石油大學，專業：軟件工程，現就職單位：中海油信息科技有限公司研發中心咨詢規劃部，研究方向：信息化咨詢規劃。