淺析Ka衛星通信在海洋石油行業的應用

謝曉輝，王 平，張 軻，黃華山，李 吉

（1.中國海洋石油集團有限公司，北京 100010；2.中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

衛星通信于20世紀60年代進入實用階段，經過多年發展，技術水平快速提升，應用領域極大拓展，不但逐漸成為關鍵設施和特殊行業的重要數據通信手段，還深深融入人們的日常生活與工作中，促進生產信息化和工業互聯網的發展。

中海油早在20世紀80年代就開始在海上應用衛星通信，90年代初建立了海上VSAT衛星專網承載海上勘探開發生產應用、日常辦公和應急通信等數據傳輸，并逐步建設了覆蓋全海域的C波段、Ku波段衛星通信專網。傳統的衛星通信帶寬受限且成本較高，寶貴的衛星資源僅用于一線生產所需，無法承載大數據傳輸和海上員工的日常生活通信。Ka高通量衛星通信技術的出現和商用，給衛星通信在海上應用帶來了廣闊的發展前景。本文結合中海油海上平臺信息化業務的發展，淺析Ka衛星通信在海洋石油勘探開發業務中的特點和優勢，對今后深入挖掘其潛在應用價值具有重要的參考意義。

1 Ka衛星通信

衛星通信可使用包括L、S、C、Ku、Ka等多個頻段。Ka頻段工作范圍為26.5-40 GHz，遠超過C頻段（3.95-8.2 GHz）和Ku頻段（12.4-18.0 GHz），可運用的頻帶相對更寬，因此，可為對帶寬需求較高的應用，如：高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛星新聞采集（SNG）、VSAT業務等新業務提供傳輸能力。

1.1 應用優勢

Ka衛星通信相比傳統的C波段和Ku波段衛星通信有以下幾個優勢：

（1）鏈路帶寬大：Ka波段衛星頻率復用后的總帶寬可以達到3.5 GHz，而傳統的C、Ku波段只能達到500-1000 MHz的帶寬。

（2）抗干擾性強：由于常見干擾源的頻率均遠離Ka波段，所以不容易對Ka波段衛星通信造成干擾。

（3）天線口徑較小：根據電磁波通信原理，在使用相同尺寸天線接收時，通信頻率高則能獲得更優的天線增益，Ka衛星通信使用小口徑天線也能獲得足夠強的增益。

（4）安裝使用方便：Ka衛星通信使用的設備智能化程度高，系統的建設對外部安裝環境要求低，天線尺寸相對較小，因而安裝開通比較容易。

1.2 國內發展情況

我國首顆高通量衛星“中星16號”于2017年發射升空并正式商用，用戶通過終端設備可以方便快速地接入網絡，下載以及回傳速率的理論值最高分別達到150 Mb/s和12 Mb/s[1]，實現了高速寬帶和無縫雙向接入。

中星16號衛星上共有26個用戶點波束和3個饋電波束，能夠覆蓋我國除了西北、東北以外的大部分陸地和近海近300 km范圍的海域，衛星總容量為20 Gb/s左右。隨著市場需求的進一步擴大，更大容量的Ka高通量衛星也將進一步發展，以滿足寬帶中國戰略和各行業的寬帶通信需求[2]。

2 Ka衛星通信在中海油的實際應用

海洋石油主要海上作業設施包括鉆井平臺和采油平臺。鉆井平臺上裝有鉆井、動力、通信、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施[3]；海上采油平臺是使用鋼材或混凝土，或兩者混用建造的海上工作平臺，用于近海和遠海石油開采。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。采油平臺雖然除衛星通信外尚有光纖、微波等數據通信方式，但在海洋復雜環境中，光纜被漁船錨鏈切斷、微波通信受外部干擾導致通信質量下降甚至中斷的情況時有發生。因此，衛星通信是海上平臺與陸地通信的重要方式，而傳統通信衛星工作在C波段、Ku波段，存在著帶寬窄、資費高的天然劣勢，新型Ka波段高通量衛星通信成為滿足海上平臺信息化發展需求的重要途徑。

2.1 應用場景

Ka衛星通信業務在中國海洋石油行業中的應用場景如下：

（1）平臺寬帶業務傳輸。為海上平臺生產一線員工提供大帶寬數據通信服務，滿足員工工作、生活的寬帶網絡需求，提供視頻會議、遠程協助、可視通話、數據傳輸、互聯網訪問、在線學習教育等常用互聯網業務。

（2）突發性大數據傳輸。鉆井平臺在海上打井期間需要實時傳輸鉆井過程的各類工業數據，尤其是在進行高溫高壓井鉆探以及遇到突發特殊事件時，需要將鉆探實時數據、現場圖像、視頻等關鍵信息及時傳送回陸地決策機構，從而獲得陸地的技術支持、協調輔助和關鍵決策。Ka衛星通信系統能提供幾十兆至上百兆的最大帶寬，且天線設備相對較小，安裝建設快捷，從而能夠及時有效地滿足海上作業船舶突發性大數據傳輸的應用需求。

（3）生產應急鏈路備份。生產應急鏈路備份主要指針對采油平臺的骨干鏈路備份。目前，中國海油大部分采油平臺海陸干線均有微波（散射）骨干鏈路，這些微波（散射）干線通信鏈路一般帶寬較高、但受天氣因素影響較大，會出現鏈路短時中斷情況，對采油平臺數據傳輸會造成一定的影響。因此，在這種突發性的鏈路中斷情況下，Ka衛星通信系統高帶寬的傳輸特點可在生產應急中發揮作用。

2.2 系統建設與測試

中國海油海上作業設施種類較多，因采油平臺與鉆井平臺對衛星鏈路資源需求較大，所以Ka衛星通信系統主要用于鉆井平臺（半潛式）及微波鏈路需改善的采油平臺。由于部分鉆井平臺屬于半潛式平臺，平臺會有輕微搖擺，因此，對Ka自動跟蹤天線的跟蹤效果和鏈路穩定性都提出了考驗。

鑒于Ka衛星通信技術優勢，從2017年起，分別在南海和東海開展了Ka衛星寬帶互聯網訪問、大數據傳輸和鏈路備份相關測試驗證工作。由于Ka衛星通信只能通過中國衛通北京地面站接入公用互聯網，為實現利用Ka衛星互聯網落地后接入企業內網，需進行端-端IP-VPN加密隧道傳輸驗證，并對IP-VPN組網工作原理、體系架構、隧道協議、組網能力、網絡可擴展性等關鍵技術進行研究測試。

（1）互聯網訪問接入測試。在南海西部油田選取相關平臺進行Ka衛星通信業務測試工作，經鏈路測試，最大實測帶寬能夠達到60 Mb/s。如圖1所示。

圖1 系統鏈路測試結果

根據平臺現場管理要求，將Ka衛星業務測試安排在每天晚上進行，時間段在18時至24時期間。經過現場監測，在測試時間段，Ka衛星網絡使用人數平均為35人左右，使用的互聯網應用包括了語音通信、視頻通信、視頻觀看、學習平臺等。對實際流量進行監控，平均每小時使用的衛星流量為2 GB左右。通過本次Ka衛星業務測試，可以驗證Ka衛星通信能夠滿足海上平臺對互聯網寬帶接入的需求。

（2）某鉆井平臺Ka衛星通信系統建設。該平臺屬于半潛式平臺，船身隨時處于動態，因此，在衛星天線上選取了能夠進行自動跟蹤的Ka全自動跟蹤天線。系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 某鉆井平臺系統拓撲圖

選取平臺上層空曠的位置安裝室外天線，充分考慮周圍建筑物、設施、電磁環境、易維護性、安全環保等因素，并確保在天線方向上沒有高大遮擋物對信號造成遮擋。完成天線底座焊接、電纜鋪設、防腐加固等步驟措施。0.6米衛星天線安裝如圖3所示。

圖3 衛星天線安裝圖

天線系統選擇國產品牌設備，具有體積小、易于安裝維護、智能化高等特點。從天線系統引出的網線可以直接接入平臺網絡系統，無須額外的室內衛星設備。用戶終端接入平臺網絡系統后，即可直接使用Ka衛星寬帶網絡。

（3）系統運行。建設完成后對系統的運行情況進行跟蹤觀察并記錄運行數據，如表1所示。從表中可以看出，端站信號情況比較穩定，Es/No值基本維持在6.5 dB至7.4 dB之間，空間傳輸能力測試結果為：上行約7.6 Mb/s，下行約62 Mb/s；網絡測速如圖4所示：下載約6.34 Mb/s，上傳約1.29 Mb/s。

表1 系統運行觀察數據

圖4 網絡測速結果

通過IPSec VPN的方式與海油企業內網對接，進行相關生產、辦公應用的使用測試。由于平臺路由器的WAN口地址為衛通公司防火墻NAT自動分配來的私網地址，因此IPSec VPN對接采用NAT穿透野蠻模式，由平臺路由器發起主動連接。IPSec VPN隧道連接建立后，進行日常辦公、生產應用數據傳輸。經測試驗證，平臺局域網通過Ka衛星鏈路，可以ping通陸地海油內網地址。關閉IPSec VPN隧道連接后，平臺用戶可以直接訪問互聯網地址。

在實際應用中，為確保內外網訪問安全邏輯，在平臺單獨部署互聯網路由器用于互聯網接入。互聯網路由器及辦公網路由器通過復用器接入Ka衛星MODEM，并通過策略控制做到上網流量和辦公流量邏輯隔離，在IPSec VPN隧道建立后僅允許平臺內網數據傳輸，隧道拆除后用戶可訪問互聯網。

2.3 系統推廣與應用

根據“中星16號”Ka衛星測試結果，中海油2019年開始實施《渤海、南海通信網絡改造及新技術研究應用項目》，實現海陸干線提速、平臺網絡改造、海上員工上網覆蓋及新技術研究應用（北斗、5 G、海纜）等多項目標。該項目于2021年6月竣工，其應用Ka衛星通信技術實現了南海東部20個平臺員工上網全覆蓋、南海西部9條鉆井平臺互聯網覆蓋及鉆井大數據應急傳輸、采油平臺海陸干線衛星鏈路備份，海上通信鏈路可用性從原來85%-90%提升至干線97%、支線95%以上。

（1）南海西部平臺。南海西部作業的九艘鉆井平臺建設開通了Ka高通量衛星通信系統。每個鉆井平臺均按照統一的結構進行安裝與調試，并在平臺室內機柜安裝流控和網絡設備。建設完成后，對各平臺Ka衛星系統的天線控制系統、IP速率、衛星狀態監控、數據帶寬等均進行了測試，并做了長期的跟蹤觀察。Ka系統衛星帶寬測試結果如圖5所示。

圖5 Ka衛星帶寬測試結果

經過長期驗證，各個平臺在移動航行以及井位定點作業時，Ka衛星通信帶寬接入都能夠穩定達到50 Mb/s，且鏈路運行穩定，滿足鉆井平臺網絡寬帶使用需求。

（2）南海東部平臺。在南海東部，為約20個平臺部署了10套Ka衛星通信系統，并通過油（氣）田內部微波等其他獨立傳輸網絡，將Ka衛星帶寬網絡向油（氣）田中其他平臺共享。完成網絡覆蓋后，在每個Ka衛星站覆蓋的設施上安裝一套室內無線覆蓋系統，并通過上網行為管理器對該設施覆蓋的周邊小平臺用戶上網行為及賬號進行管控。

南海東部平臺部署Ka衛星和無線覆蓋，實現了每個平臺寬帶互聯網衛星全覆蓋，下行速率最高可達60 Mb/s，每月產生流量3T，覆蓋人員超過700人，且鏈路運行穩定，滿足了海上油（氣）田網絡寬帶使用需求。

（3）應用效果。傳統窄帶寬衛星通信只能滿足平臺人員電話、小數據傳輸等少量信息通信業務，而Ka衛星的應用使海上平臺流暢的應用視頻會議、視頻通話、遠程協助技術支持等信息化業務，豐富了海上應急通信技術手段和海上一線員工與外界交流和新聞資訊獲取途徑。

Ka衛星通信在中海油的推廣建設，有效解決了海上平臺通信帶寬不足的瓶頸，提升了通信網絡穩定性和用戶感受。

3 結束語

隨著Ka高通量衛星發展，使用場景日新月異，人們也越來越體會到新技術給生產生活帶來的便利。通過Ka衛星通信的在我國海洋石油行業的實際應用，可以看到其相對傳統C、Ku衛星通信模式有其獨特的應用優勢。Ka衛星通信在海洋、山嶺等偏遠地區，以及針對特殊通信保障、突發應急通信等不同需求，發展前景良好。作為一種新型通信技術，Ka衛星通信的技術和應用潛力尚未被完全發掘，今后仍有必要對其開展進一步研究，這也將會成為我國在信息化發展道路上的重點研究方向之一。