淺析全自動跟蹤天線在海上裝置的研究與應用

黃華山 劉藍天 徐荔武 劉田保

摘要：鉆井平臺等海上裝置與陸地進行話音和數據通信，主要是借助衛星、微波等通信方式實現。衛星、微波等無線通信的無線信號經由通信天線發送和接收，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格的要求。以往全自動跟蹤天線設備均為國外進口，國內長期未形成成熟的技術和產業，久而久之必將成為制約我國海洋通信事業發展的潛在不利因素。本文結合相應實例，介紹了對全自動跟蹤天線的國產化研究以及其在南海鉆井平臺上的推廣應用情況。實際應用情況表明，針對海洋作業環境研發的國產化天線，完全能夠替代國外進口設備滿足我國海上油氣作業船舶的通信需求。其可搭載衛星、微波、散射等多通信業務的模塊技術更是具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：衛星通信? 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行業的蓬勃發展，在祖國遼闊的藍色國土上進行油氣開發作業的海上鉆井平臺、勘探船、油輪等海上油氣裝置的數量也越來越多。作業船舶在遠離陸地的海上航行和作業，傳統的地面通信如光纖、電纜等都難以抵及，只能依靠衛星、微波等無線通信手段與陸地以及其他船舶進行通信。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，而衛星、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的自動對星和跟蹤功能，才能保障數據傳輸具有足夠的穩定性。

近兩年隨著海上油氣資源勘探開發力度的加大，鉆井平臺等海上裝置對通訊業務需求也在擴大。為緊抓市場機遇，提升海洋能源行業生產信息化水平，我們對全自動跟蹤通信天線系統展開研究，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務開展成本。同時這也有利于為今后深水大開發戰略提供更好的通信保障，進一步助推海上生產信息化和工業互聯網的持續發展[1]。

1國內外發展情況

西方發達國家對自動跟蹤天線系統的研究早在上世紀初便開始進行，至今已涌現了一批著名的移動衛星通信地球站的提供商。其中比較有代表性的有：TracStar和RaySat專注于陸地衛星跟蹤天線系統研發，Rantec和Staring等則在海上衛星跟蹤天線的設計開發方面具備明顯優勢，而美國SeaTel公司作為海事衛星通信系統的最大開發公司，在衛星通信領域具備多項核心技術。SeaTel公司設計制造了世界上第一套以“圓錐掃描”為跟蹤技術的伺服控制系統，成為衛星跟蹤天線系統開發領域當之無愧的佼佼者。

在國內，衛星跟蹤天線系統的早期設計研發工作大多由國內一些大型研究所進行，產品也主要應用于軍事、航天等領域。得益于國民經濟的快速提升，民用移動衛星通信系統近年來得到了快速發展，業內出現了一批新興研發企業[2]。但受限于高精度傳感器昂貴的價格，以及基礎研究滯后等因素，衛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用現狀

海洋石油主要海上作業設施中，應用全自動跟蹤天線系統較多的為鉆井平臺。鉆井平臺是主要用于鉆探井的海上結構物，平臺上裝有鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施[3]。在海上油氣勘探開發時，鉆井平臺長期處于遠離陸地的海洋之中，不僅手機信號存在覆蓋盲區，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，與外界的數據通信目前只能依靠衛星通信手段來實現。因此，鉆井平臺基本上都會配備全自動跟蹤衛星天線以滿足平臺在海上及生產作業時的衛星通訊需求。其中，又以2.4米及以上口徑的C波段衛星天線為主。另有少數船舶配備了1米左右的小口徑Ku波段衛星天線，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的重點發展海域，尤其是近年來我國一直在加大力度推動深水發展戰略，穩步推進南海深水海域油氣資源的勘探開發利用[4]。因此，為南海以及深水作業設施提供安全穩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方向。

3系統研究內容與特點

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

3.1 主要研究內容

根據海上油氣勘探開發行業的特殊需求，本研究主要圍繞兩方面內容展開。

（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定性都提出了嚴格的考驗。本項目通過對天線系統的設計與研發，針對海洋環境中的動態載體的運動特性，著重對跟蹤系統可靠性與穩定性進行攻關，以保障天線系統的鏈路暢通率能夠滿足海上平臺的通信需求[5]。

研究的關鍵技術包括：數字穩定平臺設計，初始對準算法設計，跟蹤方式以及算法設計，慣導系統設計等。其中，慣導系統利用慣性導航測量載體姿態并進行跟蹤計算，由于不再依賴外部船艏向的輸入，因此比以往常用的系統更穩定可靠。這也是與國外全自動天線系統相比的一項重要技術創新。

（2） 從多元化通信需求和海上寬帶信息化發展出發，發揮國產化優勢，對天線進行系統模塊化設計。一方面，使天線系統可以兼容國內外多品牌多型號的衛星功放設備，解決傳統全自動衛星天線只能配套使用國外品牌的專用功放設備的弊端，為國產品牌的衛星功放設備提供了更多的應用渠道;另一方面，可以根據海上業務需求靈活更換天線的信號系統，通過搭載微波、散射、衛星等不同類型的信號模塊，使天線能夠拓展應用于微波等各個無線通信領域。

3.2 技術路線和性能指標

本次對全自動跟蹤天線系統進行研究，實驗方法采用實驗室測試以及設備現場測試相結合，主要的研究實施步驟。

（1）根據現有業務，評估系統業務能力。

（2）系統通信兼容性研究，進行系統功能設計。主要包括：天線的跟蹤方式的研究、系統原理的實現以及算法研究、機械部件的研究與設計、天線口徑的選型、系統模塊化的研究與設計、系統監控軟件的研究。

（3）采取與相關廠家合作的模式，對關鍵系統（主要是天線機械部件）進行開發和試制。

（4）模擬環境進行各項功能測試。

（5） 在海上平臺設立試點，實地測試各類國產設備實際業務承載能力，并進行產品性能、穩定性分析。

研究完成后，通過搭建測試環境，開展通信系統連接、聯調和實驗測試，對天線系統各項性能指標測試對比分析。

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

（2）天線增益：接收37dBi@2.4m，發射41.4dBi@2.4m。在更小的尺寸接近以往常用的系統性能：接收38.5dBi@3.0m，發射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）遮擋恢復時間 ≤5s。

測試分析結果表明，該天線的機械性能、電氣指標均能符合海上應用標準，相對于其他品牌設備在部分指標上還具有一定的領先優勢。

4 系統在海上平臺的實際應用

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。其中，搭載衛星通信系統的全自動跟蹤天線在國湛號、深藍探索等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，系統運行穩定，狀態良好，完全滿足了各個不同類型的海上設施的通信系統需求[6]。

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

搭載了散射通信系統的全自動跟蹤天線也于2021年8月在深海一號上投入建設并成功開通應用。通過該系統搭建的長達140公里的超視距散射通信鏈路，為陵水17-2氣田提供了50M的大帶寬通信網絡，滿足了氣田員工對寬帶網絡的辦公和生活需求。得益于天線系統的高跟蹤性能，該鏈路的通信質量始終能夠保持較高的穩定性，并具備較強的抗風險能力。按照技術規劃，下一步除了對系統進行容量能力升級和性能優化外，還將在此高通量鏈路基礎上開展智能機器人巡檢、協同辦公、智能AR、安防提升等工業互聯網應用。

5結語

隨著石油勘探開發力度日益加大，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有力產品的競爭，市場已被國外公司高度壟斷。通過對全自動跟蹤天線系統的國產化研究，深入掌握核心技術并取得關鍵技術的突破，不但可以加強國產品牌的市場競爭力，進而打破國外進口產品的市場壟斷，結束我國海上油氣田長期依賴國外進口高端設備的不利局面，還能有效降低此類產品采購和運維成本，實現開源節流，從內外兩個方面提升相關業務的經營水平，促進我國石油勘探開發領域的裝備水平和競爭力上一個新臺階。

參考文獻

[1] 張晨瑤.推動東北地區深度融入“一帶一路”建設研究[D].大連：大連海事大學，2020.

[2] 趙來定.衛星通信移動地球站Ka天線及跟蹤技術的研究[D].南京：南京郵電大學，2019.

[3]王立群.海洋鉆井平臺生產計劃的量化平衡研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2019.

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

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

[6]李曉東.HFSWR遠程多海況下海洋表面動力學要素提取及預測方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

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，大學本科，高級工程師，研究方向為衛星通信

作者簡介：黃華山（1983-），男，本科，高級工程師，研究方向為衛星通信。

劉藍天（1984-），男，本科，高級工程師，研究方向為衛星通信