北斗星基增強技術(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)運營需求，利用星基增強技術(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;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)用場景非常廣泛，包括手機業(yè)、汽車業(yè)、航空業(yè)、鐵路業(yè)、航海業(yè)、農(nóng)業(yè)、測繪業(yè)以及授時產(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，增長率超15%。但直接使用原始衛(wèi)星信號進行定位的精度很差，一般大于10m，無法滿足工業(yè)級場景需求，民用效果也不好，比如手機打車經(jīng)常定不準(zhǔn)。

為了更好地貼合海洋石油作業(yè)運營需求，打破國外GPS 產(chǎn)品的壟斷，實現(xiàn)降本增效，對北斗導(dǎo)航、星基增強等技術(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)主要有地基增強技術(shù)和兩種。①地基增強技術(shù)。地基增強技術(shù)是通過在地面建設(shè)地基增強站，依托這些站點和通信網(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(shù)存在單個基準(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星基增強技術(shù)。星基增強技術(shù)是指通過在地面建設(shè)星基增強站，依托這些站點和搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號轉(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，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位進度的改進。該技術(shù)能夠有效彌補地基增強系統(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)星基增強技術(shù)產(chǎn)品全部是外國公司基于GPS進行研發(fā)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(wù)費[1]。

2 系統(tǒng)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(wù)需求，基于中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進行研發(fā)。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(dǎo)航衛(wèi)星進行7*24實時連續(xù)監(jiān)測，獲得其原始的多頻偽距、載波相位觀測值等數(shù)據(jù)，進而計算出每一顆衛(wèi)星的精密衛(wèi)星軌道、精密鐘差以及全球的電離層對流層延遲等信息，再播發(fā)給海陸多行業(yè)用戶使用，實現(xiàn)厘米級的定位和納秒級的授時。

該應(yīng)用系統(tǒng)包括：連續(xù)運行基準(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)運行基準(zhǔn)站子系統(tǒng)：包含北斗跟蹤接收機和天線、VPN、UPS等設(shè)備，主要用于對衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、采集和數(shù)據(jù)傳輸;全球星基增強精度計算。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，主要用于對基準(zhǔn)站運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)等進行監(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、車載定位終端、手機定位終端等，負(fù)責(zé)按照用戶需求進行不同精度定位。

該套系統(tǒng)采用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的算法，突破以北斗為主的多模多頻高精度接收機整機等關(guān)鍵技術(shù)，擺脫對GPS/GLONASS 系統(tǒng)的依賴，具有以下優(yōu)勢：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)一的時空基準(zhǔn)框架;③實現(xiàn)了高精度定位、納秒級授時;④單向播發(fā)保護用戶隱私;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)測試、陸地車載動態(tài)測試、海上船載動態(tài)測試后，定位精度、可靠性和穩(wěn)定性均達到了設(shè)計要求，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（10厘米以內(nèi)）的高精度定位，這意味著該項技術(shù)完全可以向多個國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)進行推廣，有效促進相關(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)，尤其是動力定位船舶對高精度導(dǎo)航定位有剛性需求。④陸地變形監(jiān)測服務(wù)：利用高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，可對石油管線、化工儲罐等重要生產(chǎn)設(shè)施實現(xiàn)毫米級別位移監(jiān)測，用以保障安全生產(chǎn)。⑤人工/無人機巡檢服務(wù)：巡檢人員利用手持北斗平板，對巡查線路以及管道附屬設(shè)施的故障進行精確定位和信息采集，并可實時地將定位數(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，對廠區(qū)人員及重要資產(chǎn)實現(xiàn)實時定位跟蹤、歷史軌跡查詢及電子圍欄管理等功能。

4 結(jié)束語

通過對北斗導(dǎo)航、星基增強等技術(shù)開展系統(tǒng)研發(fā)，打造一套切實滿足海洋石油開發(fā)精度需求、完全自主、絕對保密的高精度衛(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使用費，降低采油成本，實現(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)對國際原油價格低迷的沖擊。

參考文獻

[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（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(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。