黄华山 刘蓝天 徐荔武 刘田保
摘要：钻井平台等海上装置与陆地进行话音和数据通信，主要是借助卫星、微波等通信方式实现。卫星、微波等无线通信的无线信号经由通信天线发送和接收，并延直线路径在空中传播，这就对通信天线的定向跟踪能力和天线性能提出了严格的要求。以往全自动跟踪天线设备均为国外进口，国内长期未形成成熟的技术和产业，久而久之必将成为制约我国海洋通信事业发展的潜在不利因素。本文结合相应实例，介绍了对全自动跟踪天线的国产化研究以及其在南海钻井平台上的推广应用情况。实际应用情况表明，针对海洋作业环境研发的国产化天线，完全能够替代国外进口设备满足我国海上油气作业船舶的通信需求。其可搭载卫星、微波、散射等多通信业务的模块技术更是具有广阔的应用前景。
关键词：卫星通信 钻井平台通信 全自动跟踪天线 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
隨着我国海洋石油勘探开发行业的蓬勃发展，在祖国辽阔的蓝色国土上进行油气开发作业的海上钻井平台、勘探船、油轮等海上油气装置的数量也越来越多。作业船舶在远离陆地的海上航行和作业，传统的地面通信如光纤、电缆等都难以抵及，只能依靠卫星、微波等无线通信手段与陆地以及其他船舶进行通信。在海上，钻井平台等海上船舶的船体往往处于运动和摇摆状态，而卫星、微波等无线通信的通信电波多为直线传播，因此通信天线需要具有较强的自动对星和跟踪功能，才能保障数据传输具有足够的稳定性。
近两年随着海上油气资源勘探开发力度的加大，钻井平台等海上装置对通讯业务需求也在扩大。为紧抓市场机遇，提升海洋能源行业生产信息化水平，我们对全自动跟踪通信天线系统展开研究，力争摆脱对国外垄断品牌的依赖，降低在海上移动平台的通讯业务开展成本。同时这也有利于为今后深水大开发战略提供更好的通信保障，进一步助推海上生产信息化和工业互联网的持续发展[1]。
1国内外发展情况
西方发达国家对自动跟踪天线系统的研究早在上世纪初便开始进行，至今已涌现了一批著名的移动卫星通信地球站的提供商。其中比较有代表性的有：TracStar和RaySat专注于陆地卫星跟踪天线系统研发，Rantec和Staring等则在海上卫星跟踪天线的设计开发方面具备明显优势，而美国SeaTel公司作为海事卫星通信系统的最大开发公司，在卫星通信领域具备多项核心技术。SeaTel公司设计制造了世界上第一套以“圆锥扫描”为跟踪技术的伺服控制系统，成为卫星跟踪天线系统开发领域当之无愧的佼佼者。
在国内，卫星跟踪天线系统的早期设计研发工作大多由国内一些大型研究所进行，产品也主要应用于军事、航天等领域。得益于国民经济的快速提升，民用移动卫星通信系统近年来得到了快速发展，业内出现了一批新兴研发企业[2]。但受限于高精度传感器昂贵的价格，以及基础研究滞后等因素，卫星跟踪天线市场的大部分份额依然归国外公司所有。
2全自动跟踪天线在中国海油的应用现状
海洋石油主要海上作业设施中，应用全自动跟踪天线系统较多的为钻井平台。钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物，平台上装有钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施[3]。在海上油气勘探开发时，钻井平台长期处于远离陆地的海洋之中，不仅手机信号存在覆盖盲区，光纤、通信电缆等通信手段也无法企及。尤其是在钻井平台航行过程中，与外界的数据通信目前只能依靠卫星通信手段来实现。因此，钻井平台基本上都会配备全自动跟踪卫星天线以满足平台在海上及生产作业时的卫星通讯需求。其中，又以2.4米及以上口径的C波段卫星天线为主。另有少数船舶配备了1米左右的小口径Ku波段卫星天线，该类型天线由于存在雨衰大的固有不利特性，主要被应用于我国北方海域，而在降雨较多的南方海域较少使用。
我国南海向来是石油勘探开发的重点发展海域，尤其是近年来我国一直在加大力度推动深水发展战略，稳步推进南海深水海域油气资源的勘探开发利用[4]。因此，为南海以及深水作业设施提供安全稳定可靠的多元化大带宽无线通信也成为了我们需要重点研究的通信技术方向。
3系统研究内容与特点
本项目研究以国产卫星通信全自动跟踪天线为基础，以广义的定向辐射天线作为控制对象，实现移动装置天线稳定跟踪系统的工程实现。研究团队拥有项目研究所需的各类测试及辅助设备，可满足项目研究所需要的各种选择及改造条件，并且海南片区基站及平台均可作为现场测试的场所，因此在硬件设施和实验场地上完全满足系统的研究与开发条件。
3.1 主要研究內容
根据海上油气勘探开发行业的特殊需求，本研究主要围绕两方面内容展开。
（1） 由于部分钻井平台属于半潜式平台，平台会有轻微摇摆，这对自动跟踪天线的跟踪效果和链路稳定性都提出了严格的考验。本项目通过对天线系统的设计与研发，针对海洋环境中的动态载体的运动特性，着重对跟踪系统可靠性与稳定性进行攻关，以保障天线系统的链路畅通率能够满足海上平台的通信需求[5]。
研究的关键技术包括：数字稳定平台设计，初始对准算法设计，跟踪方式以及算法设计，惯导系统设计等。其中，惯导系统利用惯性导航测量载体姿态并进行跟踪计算，由于不再依赖外部船艏向的输入，因此比以往常用的系统更稳定可靠。这也是与国外全自动天线系统相比的一项重要技术创新。
（2） 从多元化通信需求和海上宽带信息化发展出发，发挥国产化优势，对天线进行系统模块化设计。一方面，使天线系统可以兼容国内外多品牌多型号的卫星功放设备，解决传统全自动卫星天线只能配套使用国外品牌的专用功放设备的弊端，为国产品牌的卫星功放设备提供了更多的应用渠道;另一方面，可以根据海上业务需求灵活更换天线的信号系统，通过搭载微波、散射、卫星等不同类型的信号模块，使天线能够拓展应用于微波等各个无线通信领域。
3.2 技术路线和性能指标
本次对全自动跟踪天线系统进行研究，实验方法采用实验室测试以及设备现场测试相结合，主要的研究实施步骤。
（1）根据现有业务，评估系统业务能力。
（2）系统通信兼容性研究，进行系统功能设计。主要包括：天线的跟踪方式的研究、系统原理的实现以及算法研究、机械部件的研究与设计、天线口径的选型、系统模块化的研究与设计、系统监控软件的研究。
（3）采取与相关厂家合作的模式，对关键系统（主要是天线机械部件）进行开发和试制。
（4）模拟环境进行各项功能测试。
（5） 在海上平台设立试点，实地测试各类国产设备实际业务承载能力，并进行产品性能、稳定性分析。
研究完成后，通过搭建测试环境，开展通信系统连接、联调和实验测试，对天线系统各项性能指标测试对比分析。
（1）载体活动范围：±30°横摇，±30°纵摇。比以往常用的系统允许范围更高：±25°横摇，±15°纵摇。
（2）天线增益：接收37dBi@2.4m，发射41.4dBi@2.4m。在更小的尺寸接近以往常用的系统性能：接收38.5dBi@3.0m，发射41.7dBi@3.0m。
（3）在载体活动范围，自动跟踪电平损失≤1.0dB（R.M.S）。
（4）遮挡恢复时间 ≤5s。
测试分析结果表明，该天线的机械性能、电气指标均能符合海上应用标准，相对于其他品牌设备在部分指标上还具有一定的领先优势。
4 系统在海上平台的实际应用
本研究的全自动跟踪天线已在我国南海多个海上平台和船舶推广建设。其中，搭载卫星通信系统的全自动跟踪天线在国湛号、深蓝探索等5艘钻井平台，陵水17-2气田的深海一号深水半潜式生产储油平台，深水三用工作船海洋石油691上已完成安装使用，系统运行稳定，状态良好，完全满足了各个不同类型的海上设施的通信系统需求[6]。
在2021年6月下旬的陵水17-2气田投产仪式上，海上活动现场央视高清直播所选用的数据回传通道，便是使用了通过本研究成果搭建的16M大带宽卫星通信链路。该通信链路通信稳定，画面流畅，成功保障了投产仪式和直播活动的顺利进行。
搭载了散射通信系统的全自动跟踪天线也于2021年8月在深海一号上投入建设并成功开通应用。通过该系统搭建的长达140公里的超视距散射通信链路，为陵水17-2气田提供了50M的大带宽通信网络，满足了气田员工对宽带网络的办公和生活需求。得益于天线系统的高跟踪性能，该链路的通信质量始终能够保持较高的稳定性，并具备较强的抗风险能力。按照技术规划，下一步除了对系统进行容量能力升级和性能优化外，还将在此高通量链路基础上开展智能机器人巡检、协同办公、智能AR、安防提升等工业互联网应用。
5结语
随着石油勘探开发力度日益加大，未来钻井平台及深水油气开采平台对全自动跟踪天线的需求将快速增加。由于以往跟踪天线市场缺少国内有力产品的竞争，市场已被国外公司高度垄断。通过对全自动跟踪天线系统的国产化研究，深入掌握核心技术并取得关键技术的突破，不但可以加强国产品牌的市场竞争力，进而打破国外进口产品的市场垄断，结束我国海上油气田长期依赖国外进口高端设备的不利局面，还能有效降低此类产品采购和运维成本，实现开源节流，从内外两个方面提升相关业务的经营水平，促进我国石油勘探开发领域的装备水平和竞争力上一个新台阶。
参考文献
[1] 张晨瑶.推动东北地区深度融入“一带一路”建设研究[D].大连：大连海事大学，2020.
[2] 赵来定.衛星通信移动地球站Ka天线及跟踪技术的研究[D].南京：南京邮电大学，2019.
[3]王立群.海洋钻井平台生产计划的量化平衡研究[D].镇江：江苏科技大学，2019.
[4]谢玉洪.中国海油近海油气勘探实践与思考[J].中国海上油气，2020，32（2）：1-13.
[5]李超.北斗/GPS导航接收及抗干扰天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2018.
[6]李晓东.HFSWR远程多海况下海洋表面动力学要素提取及预测方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.
中图分类号：TN927.2 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-2587 第一作者：黄华山，（1983—），男，大学本科，高级工程师，研究方向为卫星通信
作者简介：黄华山（1983-），男，本科，高级工程师，研究方向为卫星通信。
刘蓝天（1984-），男，本科，高级工程师，研究方向为卫星通信
