移動船舶微波通信關鍵技術研究

摘要：海上石油平臺與海上浮式生產儲油輪（Floating Productionamp;Storage Offloading，FPSO）是海洋石油開發的重要設施。FPSO與海上石油平臺之間以及FPSO與陸地之間的微波通信有其特殊性，包括FPSO的浮動性、旋轉性、自身大桅和火炬的遮擋等。文章針對這些特殊性重點研究了天線自動跟蹤技術、基于地理信息的組網技術、無線電射頻優化技術、雙鏈路自動切換技術等，采用這些先進技術集成新型微波系統，并在實際生產環境中測試與應用。

關鍵詞：海上平臺；FPSO；微波通信；自動跟蹤；雙鏈路切換

Research on Key Technologies of Microwave Communication for Mobile Ships

LI Zhiqiang

（CNOOC Information Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： Offshore oil platforms and Floating Production amp; Storage Offloading （FPSO） are important facilities for offshore oil development. The microwave communication between FPSO and offshore oil platforms， as well as between FPSO and land， has its own characteristics， including the floating and rotating nature of FPSO， as well as the obstruction of its own mast and torch. The article focuses on researching antenna automatic tracking technology， geographic information based networking technology， radio frequency optimization， and dual link automatic switching technology in response to these special characteristics. These advanced technologies are integrated into new microwave systems and tested and applied in actual production environments.

Key words： offshore platforms; FPSO; microwave communication; automatic tracking; dual link switching

1" "研究背景

隨著油田行業數字化技術浪潮的興起，海上設施向信息化、無人化、智能化的方向發展。基于先進可靠的無線通信技術，FPSO上的工控網絡、視頻網絡和生產網絡的數據需向中心平臺傳輸，實現FPSO上的高速數據承載、高便捷性接入和全面信息化的建設。

FPSO由單點平臺、海底管線、系泊裝置和儲油輪組成。儲油輪隨著風向、海流流向的改變繞單點轉動。在轉動過程中，FPSO需要調整天線，以保障海上作業的通信安全。由于海上作業環境復雜，存在信號衰減、干擾等問題，傳統的通信技術難以保障通信質量，需要新的通信技術。因此，本文重點研究了通過天線自動跟蹤、雙鏈路自動切換等關鍵技術建設智能微波鏈路，實現FPSO與平臺的穩定寬帶無線通信[1]。

2" "海上無線通信環境特點

基于海上石油平臺以及FPSO的特殊環境，在FPSO與海上石油平臺之間的無線通信系統，為滿足數據可靠通信要求需要解決的問題包括但不限于以下幾點。

（1）運動狀態下通信穩定性難保障。FPSO在轉動作業的過程中船體有橫向和縱向擺動，且船舶朝向不斷變化，在此過程中的無線鏈路需要保障信號的穩定性。

（2）FPSO自身的遮擋。當FPSO轉動時，自身大桅和火炬等有可能處于收發天線之間，在微波可視距離上形成物理遮擋。

（3）海面對無線電波傳輸的影響。FPSO在海面上進行作業時，通信遇到的阻礙較少，電波傳播的障礙相對較小。這是因為海面上的障礙物較少，電波可以更自由地傳播。與陸地相比，海上的電波傳播余地更大，且損耗較小。然而，需要注意的是，海面條件會對無線電磁波產生一些不同的影響。具體而言，海面會導致電波發生折射、反射以及多徑效應，這些效應在海上比在陸地上更為顯著，不同的無線電傳播路徑可能會造成信號的相互影響，另外海面高濕、高霧環境，還存在氣吸收衰減、云霧衰減，以及雨衰等不利因素[2]。

（4）復雜的無線電頻率環境。FPSO上一般都已經建設了多套無線系統，如衛星通信系統、UHF系統、VHF系統、無線電系統等，建設新的微波系統需要考慮FPSO現有的無線電設備頻率干擾，以及鄰近的無線電設備頻率干擾。

（5）船體劇烈振動。在操作FPSO時，可能會面臨強烈振動的情況，因此需要解決船上設備的穩定性和抵御振動的問題。

（6）沿海氣候環境。FPSO船舶位于近海地區，其氣候環境特點是大溫差、高濕度以及鹽霧濃度較高。因此，需要考慮設備在這種環境條件下的適應性。

3" "關鍵技術研究

3.1 天線自動跟蹤技術

FPSO是一種移動平臺，其上安裝的天線受到平臺的方向運動和平臺的離線運動干擾的影響。這兩種干擾都可能導致天線指向偏離目標，影響其正常運行。因此，船上的定向天線控制系統必須能夠分離這兩種干擾的影響，以確保天線指向的穩定性。

本文研究并采用的天線自動跟蹤系統采用慣性導航與衛星導航相結合的組合導航方式，是一種先進且可靠的天線自動跟蹤技術。天線自動跟蹤系統由測量子系統、控制子系統組成，系統組成框圖如圖1所示。

測量子系統由陀螺儀、加速度計、北斗/GPS導航模塊、慣性導航計算模塊、組合導航卡爾曼濾波器等組成。慣性導航的核心原理以牛頓力學規律為基礎，借助陀螺儀的輸出信息來建立導航坐標系。同時，通過加速度計測量運動載體在固定的參考坐標系中的角速度和加速度，隨后對這些數據進行時間積分和計算，以得出速度和相對位置信息，再把它變換到導航坐標系中，結合最初的位置信息得到運動載體當前所處的位置。單一的慣性導航系統具有誤差積累的缺點，僅僅能夠用在短時間的導航中，對于長時間運行的系統需要結合衛星導航等方式，對內部累計誤差進行定時修正。測量子系統記錄了運動載體的位置、速度、方向和姿態等信息，并將這些數據提供給天線控制模塊，以幫助計算天線的指向目標。

控制子系統內的天線控制單元匯總來自測量子系統的信息和微波信號強度數據，經過事件分析和信息處理，確定天線指向的目標方向，并根據天線目標指向驅動多軸伺服云臺的步進電機帶動轉臺旋轉。轉臺和天線固聯在一起，轉臺旋轉帶動天線旋轉，使天線對準電臺。

天線自動跟蹤系統綜合運用微波信號RSSI值、北斗/GPS定位、慣性導航、陀螺儀、多軸伺服云臺等各種資源及技術，通過快速無線搜索算法搜索水平范圍內可用信號，發現目標后迅速定位天線中心主波瓣，使無線系統快速入網并發揮最佳吞吐量性能，實時監測鏈路鏈接質量。當安裝點位置移動時，系統將實時地自動調整天線角度，保障天線的水平和垂直角度指向不變，以維持系統鏈路的穩定性。在遠端旋轉、晃動、漂浮移動過程中，兩端自動跟蹤天線可自動校準，保障信號穩定性，兩側無線通信設備各自通過交換機接入本地網絡設備，完成兩側網絡互通。

3.2 基于地理信息的通信組網技術

基于地理信息的通信組網是天線自動跟蹤系統的核心。一旦FPSO和岸線之間的通信鏈路建立完成，它們就會通過無線數據鏈路傳輸通信設備的地理位置信息，包括經度、緯度以及海拔高度等，使用GPS/北斗系統進行定位。船載通信設備會收集船載天線的相關位置數據，并經過計算，對其進行微調，以提前提高鏈路質量。如果天線在跟蹤過程中失去信號，系統將通過旋轉天線轉臺來搜索地面站信號，實現天線的重新對準，從而加強微波網絡中的合作和協同，提高組網的準確性、穩定性，有效保障網絡連接的速度和效率。

3.3 無線電射頻優化技術

微波通信采用多輸入多輸出（MIMO）技術，可以顯著增加信道容量，提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO技術將數據劃分成多個部分，然后經過多個天線同時傳輸。接收端配備多個天線來接收信號。MIMO通過分割與整合數據，提高數據的傳輸效率。其中，數據分割傳輸不僅減少了單一信道的負載，延長了傳輸距離，而且不會額外占用頻譜范圍。通常，MIMO技術與正交頻分復用（OFDM）技術結合使用，以實現最佳性能。

OFDM技術將信道分割成多個相互正交的子信道，以將高速數據信號分解成多個低速子數據流，然后將它們調制并傳輸到各自的子信道中。由于這些信號是正交的，因此在接收端可以采用相關技術來有效分離它們，減少子信道之間的相互干擾。此外，每個子信道的帶寬相對較小，可以被看作是平坦衰落信道，從而降低了頻譜扭曲的可能性，也使信道均衡更加容易。OFDM技術的主要目標在于提高頻譜利用率，同時減少多徑干擾的影響。

采用OFDM技術的無線設備具有極強的抗多徑干擾能力。微波系統采用6 GHz以下的寬頻段通信，可自動掃描信道并靈活選擇通信頻點。

3.4 雙鏈路自動切換技術

FPSO在轉動作業過程中，某些時間段船上大煙囪會遮擋無線鏈路上的視距，本文研究并采用雙鏈路自動切換技術解決遮擋問題。

在海上平臺側和FPSO側均配置兩套微波設備，構成A/B兩條無線鏈路，互為冗余備份，同一時間業務數據僅通過其中一條鏈路傳輸數據，當該鏈路信號差、帶寬低時，自動切換至另一條鏈路。雙鏈路切換使用智能鏈路檢測技術，實時監控無線鏈路的傳輸質量，在兩個鏈路之間實時自動切換，從而保證FPSO與海上平臺的可靠通信。

每側的兩臺微波室內單元均通過智能切換單元連接，A/B兩條鏈路可保證在同一時間有且僅有一條鏈路可正常傳輸業務數據，系統不會形成環路，而備用鏈路處于檢測狀態。當任意一條主鏈路因外界因素（如大桅遮擋、無線電干擾、設備故障等）而導致中斷時，備用鏈路可迅速啟用，切換時間不超過50 ms。

4" "集成多種先進技術的新型微波系統及應用案例

4.1 應用案例

本文以天線自動跟蹤技術、結合地理信息的組網技術、無線電射頻優化及雙鏈路自動切換技術等先進技術為基礎，集成一套新型微波系統。采用新微波系統建立浮動平臺至FPSO之間的無線鏈路，顯著提升了FPSO無線傳輸鏈路的數據傳輸能力。在實際應用案例中，FPSO與浮動平臺距離3 km左右，FPSO在作業過程中達到傳輸鏈路≥100 Mbps以上的承載能力就能夠在作業水域保持動態漫游。鏈路測試驗證了新型無線傳輸鏈路的穩定性和可用性。新微波系統的理論通信距離最大可達120 km。

新型微波系統由室外單元、室內單元、鏈路切換單元、北斗/GPS組件等組成。室外單元包括室外主機、陣列天線、慣導系統、多軸伺服云臺，采用一體化球型設計，便于維護。室內單元為室外單元提供穩定供電保障。北斗/GPS組件為室外單元提供本地坐標信息、天線角度信息，獨有的校準算法使得調試變得更加快捷、方便、有數據可依，大大降低了對調試人員的專業要求。北斗/GPS組件與慣性導航結合的組合導航方式為天線自動跟蹤提供精準的導航信息。

FPSO與海上平臺微波傳輸系統架構圖如圖2所示。

4.2 40 MHz信道頻寬通信效果

40 MHz信道頻寬的無線網絡兩端單向信道傳輸帶寬分別達到194.4 Mbps和183.6 Mbps，雙向傳輸帶寬達到378 Mbps。微波天線自動跟蹤性能穩定，在FPSO船體單點轉動時天線系統實時、精準、自動調整天線角度，天線水平和垂直角度指向保持不變；無線信號保持在-58 dBm至-64 dBm、傳輸帶寬穩定在100 Mbps以上。由此可見，集成多種先進技術的微波系統完全滿足FPSO和海上平臺的傳輸業務需求。

5" "結束語

本文設計的集成多種先進技術的新型微波系統，為海洋石油鉆采行業提供了通用解決方案。本系統是以數據高速承載、業務深度保障、便捷柔性接入、高度安全和智慧管理等為特征的新一代海上通信網絡，可為海上油田全面實現數字化轉型、智能化發展奠定基礎，符合海洋石油企業大力推進數字化、可視化、自動化、智能化發展的要求，符合國家推動數字化建設的要求。

參考文獻

[1] 武占偉．芻議船載定向天線控制系統[J]．中國科技博覽，2015，1（4）：1-5.

[2] 胡成偉．無線網絡中的OFDM與MIMO技術的融合[J]．中國新通信，2017，19（4）：2-3.