北斗星基增強(qiáng)技術(shù)在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用研究

葉華文

摘 要 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)是對(duì)海洋石油開發(fā)起著關(guān)鍵性支撐作用的核心技術(shù)，但一直以來被GPS 系統(tǒng)壟斷。近年來隨著中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣與成熟，為更好地貼合海洋石油作業(yè)運(yùn)營(yíng)需求，利用星基增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)出了一套基于北斗導(dǎo)航，且滿足海洋油氣開發(fā)所需的高精度位置服務(wù)的整體應(yīng)用解決方案。

關(guān)鍵詞 北斗;星基增強(qiáng);海洋油氣開發(fā);應(yīng)用

引言

全球目前有四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國北斗、美國GPS 、俄羅斯GLONASS 和歐盟GALILEO ，統(tǒng)稱為GNSS ，其應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括手機(jī)業(yè)、汽車業(yè)、航空業(yè)、鐵路業(yè)、航海業(yè)、農(nóng)業(yè)、測(cè)繪業(yè)以及授時(shí)產(chǎn)業(yè)等。2018年中國產(chǎn)業(yè)規(guī)模超三千億元，全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模超萬億元，增長(zhǎng)率超15%。但直接使用原始衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位的精度很差，一般大于10m，無法滿足工業(yè)級(jí)場(chǎng)景需求，民用效果也不好，比如手機(jī)打車經(jīng)常定不準(zhǔn)。

為了更好地貼合海洋石油作業(yè)運(yùn)營(yíng)需求，打破國外GPS 產(chǎn)品的壟斷，實(shí)現(xiàn)降本增效，對(duì)北斗導(dǎo)航、星基增強(qiáng)等技術(shù)的融合應(yīng)用開展探索，研發(fā)出了一套滿足海洋油氣開發(fā)所需的高精度位置服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。

1 簡(jiǎn)述高精度衛(wèi)星定位技術(shù)

目前提升衛(wèi)星定位精度的技術(shù)主要有地基增強(qiáng)技術(shù)和兩種。①地基增強(qiáng)技術(shù)。地基增強(qiáng)技術(shù)是通過在地面建設(shè)地基增強(qiáng)站，依托這些站點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)，播發(fā)地面基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)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(dá)到毫米級(jí)到亞米級(jí)不等。地基增強(qiáng)的精度雖然很高，但覆蓋范圍卻有一定限制該技術(shù)存在單個(gè)基準(zhǔn)站有效距離短、雙向通訊泄露用戶隱私、大范圍組網(wǎng)應(yīng)用成本過高、海上無法使用等諸多局限。②星基增強(qiáng)技術(shù)。星基增強(qiáng)技術(shù)是指通過在地面建設(shè)星基增強(qiáng)站，依托這些站點(diǎn)和搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，來向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等誤差修正信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位進(jìn)度的改進(jìn)。該技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)地基增強(qiáng)系統(tǒng)的不足，解決因地域限制而出現(xiàn)通信能力限制的問題。但目前相關(guān)星基增強(qiáng)技術(shù)產(chǎn)品全部是外國公司基于GPS進(jìn)行研發(fā)的，而這又帶來兩個(gè)直接問題：一是信息泄露隱患，二是高額的服務(wù)費(fèi)[1]。

2 系統(tǒng)介紹

針對(duì)海洋工程及動(dòng)力定位DP船舶所需的高精度位置服務(wù)需求，基于中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。通過部署在全球的近百個(gè)星基增強(qiáng)站，對(duì)太空中所有的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行7*24實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得其原始的多頻偽距、載波相位觀測(cè)值等數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出每一顆衛(wèi)星的精密衛(wèi)星軌道、精密鐘差以及全球的電離層對(duì)流層延遲等信息，再播發(fā)給海陸多行業(yè)用戶使用，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位和納秒級(jí)的授時(shí)。

該應(yīng)用系統(tǒng)包括：連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)等四部分。其中：①連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站子系統(tǒng)：包含北斗跟蹤接收機(jī)和天線、VPN、UPS等設(shè)備，主要用于對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、采集和數(shù)據(jù)傳輸;全球星基增強(qiáng)精度計(jì)算。②系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心：由高性能服務(wù)器、防火墻、VPN 、多屏顯示器等設(shè)備構(gòu)成，主要用于對(duì)基準(zhǔn)站運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。③數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)：由VPN 、專線公網(wǎng)、L 波段衛(wèi)星等構(gòu)成，負(fù)責(zé)將基準(zhǔn)站導(dǎo)航衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，待處理完成后再將星基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)至用戶端。④用戶應(yīng)用子系統(tǒng)：包括高精度導(dǎo)航定位接收機(jī)、車載定位終端、手機(jī)定位終端等，負(fù)責(zé)按照用戶需求進(jìn)行不同精度定位。

該套系統(tǒng)采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的算法，突破以北斗為主的多模多頻高精度接收機(jī)整機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，擺脫對(duì)GPS/GLONASS 系統(tǒng)的依賴，具有以下優(yōu)勢(shì)：①支持單北斗BDS服務(wù)，并兼容美國GPS 、俄羅斯GLONASS 、歐盟GALILEO;②構(gòu)建了全球統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)框架;③實(shí)現(xiàn)了高精度定位、納秒級(jí)授時(shí);④單向播發(fā)保護(hù)用戶隱私;⑤支持互聯(lián)網(wǎng)/L-band 衛(wèi)星同步播發(fā);⑥不限用戶數(shù)量。在經(jīng)過嚴(yán)格的前期陸地靜態(tài)測(cè)試、陸地車載動(dòng)態(tài)測(cè)試、海上船載動(dòng)態(tài)測(cè)試后，定位精度、可靠性和穩(wěn)定性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)將于近期順利接入海油南方海域某作業(yè)船舶的動(dòng)力定位DP 系統(tǒng)，為打破外國高精度衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品在中國海洋油氣開發(fā)中的壟斷邁出關(guān)鍵性一步[2]。

3 應(yīng)用前景

北斗星基增強(qiáng)技術(shù)不僅可以在海洋石油開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵的支撐作用，未來還可以在全球范圍，提供分米級(jí)（10厘米以內(nèi)）的高精度定位，這意味著該項(xiàng)技術(shù)完全可以向多個(gè)國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)進(jìn)行推廣，有效促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的供給側(cè)改革。

①海洋工程導(dǎo)航定位服務(wù)：鉆井船井口就位、導(dǎo)管架安裝、FPSO 船位監(jiān)控、海底管纜敷設(shè)等施工過程中的水上水下導(dǎo)航定位服務(wù)。②海洋工程預(yù)后調(diào)查服務(wù)：水深測(cè)量、地質(zhì)構(gòu)造勘察等工程勘察過程的導(dǎo)航定位服務(wù)。③船舶定位服務(wù)：為各類施工船只提供導(dǎo)航定位服務(wù)，尤其是動(dòng)力定位船舶對(duì)高精度導(dǎo)航定位有剛性需求。④陸地變形監(jiān)測(cè)服務(wù)：利用高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，可對(duì)石油管線、化工儲(chǔ)罐等重要生產(chǎn)設(shè)施實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別位移監(jiān)測(cè)，用以保障安全生產(chǎn)。⑤人工/無人機(jī)巡檢服務(wù)：巡檢人員利用手持北斗平板，對(duì)巡查線路以及管道附屬設(shè)施的故障進(jìn)行精確定位和信息采集，并可實(shí)時(shí)地將定位數(shù)據(jù)和巡檢信息發(fā)回管理中心。⑥人員資產(chǎn)跟蹤服務(wù)：可通過小型化北斗定位終端，對(duì)廠區(qū)人員及重要資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位跟蹤、歷史軌跡查詢及電子圍欄管理等功能。

4 結(jié)束語

通過對(duì)北斗導(dǎo)航、星基增強(qiáng)等技術(shù)開展系統(tǒng)研發(fā)，打造一套切實(shí)滿足海洋石油開發(fā)精度需求、完全自主、絕對(duì)保密的高精度衛(wèi)星導(dǎo)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(hào)使用費(fèi)，降低采油成本，實(shí)現(xiàn)降本增效，從而能夠幫助油氣企業(yè)更加積極、有效地應(yīng)對(duì)國際原油價(jià)格低迷的沖擊。

參考文獻(xiàn)

[1] 周兵.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)構(gòu)想[J].無線電工程， 2016，46（4）：1-4.

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

作者簡(jiǎn)介

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