張寶平

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452

中海油海上導航定位技術發(fā)展綜述

張寶平

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452

以我國海洋石油勘探開發(fā)中地震采集作業(yè)使用的定位設備和定位技術為主線，著重介紹了中國海洋石油總公司海上導航定位技術的發(fā)展歷程，描述了目前在渤海海域使用的幾種先進的差分GPS定位系統(tǒng)，討論了我國導航定位技術水平現(xiàn)狀以及與國際先進水平的差距，分析了導航定位技術的發(fā)展趨勢。

海洋石油；導航定位；DGPS；物探；發(fā)展綜述

0 引言

目前全球建成并使用的導航定位系統(tǒng)有：美國的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioning System，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GlobalNavigation Satellite System，GLONASS）、我國的北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System，Galileo），還有日本在建的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）[1]。

海上石油開發(fā)的大型作業(yè)主要有：地震采集作業(yè)、導管架安裝作業(yè)、鉆井平臺和生產(chǎn)平臺對接作業(yè)、海底管道管纜鋪設作業(yè)和大型設施拖航就位作業(yè)。這些作業(yè)都要用到先進的導航定位系統(tǒng)，目前主要使用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，DGPS）。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制成功，從去年開始中國海洋石油總公司（以下簡稱中海油）逐步試用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國獨立自主研制和建設的天基衛(wèi)星導航和授時系統(tǒng)[2]，其授時精度不超過50 ns，符合海上石油作業(yè)定位要求。

本文以我國海洋石油勘探開發(fā)中地震采集作業(yè)使用的定位設備和定位技術為主線，以中海油為重點，介紹了我國海洋石油海上導航定位技術的發(fā)展歷程，討論了我國導航定位技術的應用情況、現(xiàn)有水平以及與國際先進水平的差距，分析了導航定位技術的發(fā)展趨勢。

1 我國海洋石油導航定位技術發(fā)展歷程

我國海洋石油地震采集作業(yè)中定位測量技術經(jīng)歷了50年的發(fā)展，尤其是在上世紀八十年代改革開放后，開展與國外公司合營、合作，不斷引進先進的定位技術和裝備，在海上石油的勘探開發(fā)中，我國定位導航技術達到了國外先進水平。

1963-1965年我國海洋物探作業(yè)開展初期，缺乏海洋定位導航專用設備。在海上地震采集作業(yè)中，其測量方法基本上是搬用陸地上測量點位的方法，為此專門成立了一個海陸測量建標隊。在近海地區(qū)，利用國家測繪部門在海岸已建的三角點或自行補建大地點通用的鋼質(zhì)覘標，或選擇近海處的高大建筑物頂端，測量其坐標位置做為控制點；遠離海岸時，則在海上建簡易鋼質(zhì)覘標，用前方交會法測出坐標位置。物探船就根據(jù)這些基本控制點，使用光學六分儀，采用后方交會法測定地震炮點和重力觀測點位置。經(jīng)反復觀測，采用第四個控制點校核，精度一般可控制在15 m左右。定位人員用經(jīng)緯儀定方向，測繩量距離的附合導線及支導線測量方法，來測定物探點位；深海物探作業(yè)使用六分儀確定測線起始點，而后使用航海羅經(jīng)儀定向、六分儀測天文核校、航速定距來確定點位，在物探測線終點用陸上控制點做前方交會核校，誤差達到1～3海里。

1966年從法國引進TORAN 3P（道朗3P）無線電定位儀，應用于深海物探的定位導航，并與國內(nèi)廠家協(xié)作，將GHJ-500W歸航機改裝為定位儀，解決重力、磁力勘探的定位導航問題。為此，專門成立了無線電定位隊，初步擁有了適合海洋石油物探作業(yè)的定位設備，測量定位精度提高到20 m以內(nèi)。但由于這種設備是雙曲線相位系統(tǒng)，只適應白天作業(yè)，而且受天波干擾時容易發(fā)生整相位數(shù)值混亂，所以仍然需要由建標隊在物探作業(yè)的海域建造簡易鋼質(zhì)覘標或大量拋放燈鼓，供物探作業(yè)船隊在每日作業(yè)的始、末時間對定位儀進行對標校核。有時在作業(yè)中會突然遭遇雷電干擾，使定位數(shù)據(jù)失真，往往造成物探采集資料報廢。

1974年，引進了TORANP100（道朗P100）型具有一級相識別功能的定位儀，但仍需日出而作，日落而息地定時進行相位對標檢測，致使物探作業(yè)效率受到影響。1977年在北黃海地震作業(yè)中也曾使用過國產(chǎn)長河1號船舶導航系統(tǒng)，但其定位質(zhì)量僅能滿足區(qū)域概查要求。在這一時期，為解決定位技術落后的狀況，曾求助于國內(nèi)有關科研單位仿制相識別儀，或支持自己公司的技術人員與外單位協(xié)作試制不對標定位儀，但終因國內(nèi)技術、設備、工業(yè)基礎水平所限而未獲成功。

由于我國定位技術和設備的落后，1979-1982年間我國海域的石油勘探定位市場分別被新加坡杰阿曼克斯公司和英國臺卡測量公司所占領，他們在渤海、黃海和南海分別布設了當時世界上較為先進的SYLEDIS（塞里第斯）、ARGO（阿戈）、MAXIRAN（馬西蘭）和PULSE/8（脈沖/8）等無線電定位系統(tǒng)。

1982年中海油成立前后期間，為適應海洋石油勘探全面對外合作的新要求，加速了定位設備的引進。這一時期引進了MX-1502大地衛(wèi)星接收機、SYLEDIS無線電定位系統(tǒng)和船用綜合衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)等。1983年成立中外合資公司后，先后使用了SYLEDIS、HYPERFIX（哈波菲克斯）、ARGO、PULSE/8、MAXIRAN、Transponder等陸基無線電定位系統(tǒng)。

隨著GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，定位領域出現(xiàn)了一場前所未有的革命，它徹底地改變了傳統(tǒng)的定位技術。進入上世紀九十年代，國際上在海洋定位作業(yè)中普遍采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及差分GPS定位技術，取代了臺站多、費用高、人員多的陸基無線電定位系統(tǒng)，使海上定位作業(yè)實現(xiàn)了全天候、全覆蓋（600 km）、低成本、高精度（1～3 m）的要求。在GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)的初期（1993年），中方相繼先后引進了GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）定位技術及差分GPS數(shù)據(jù)鏈設備（如Deltafix DGPS、NR103 DGPS、Skyfix DGPS等）。由于采用差分GPS定位技術，不但使控制范圍更加擴大，同時取消了原先布設在沿海的陸地無線電定位臺站，使作業(yè)成本大幅度降低。1993-1994年，中方利用英國雷卡測量公司布設在香港、越南、日本等地的GPS控制點，與我方布設在沿海地區(qū)的控制點進行了聯(lián)測，并由雷卡公司使用美國精密星歷進行平差處理，建立了納入世界WGS-84坐標系的GPS大地控制網(wǎng)，使各海區(qū)定位作業(yè)的坐標建立在統(tǒng)一、可靠的基礎上。

在上世紀90年代初引進Deltafix陸基差分GPS定位系統(tǒng)之后，很快又引進了外方母公司的Skyfix星基差分GPS定位系統(tǒng)，這樣在我國海域作業(yè)的物探船上就有了兩套完全獨立的差分GPS定位系統(tǒng)，從而使物探作業(yè)的定位工作不受任何天氣及其他干擾因素的影響，保證其作業(yè)全天候24 h不間斷進行。

為進一步提高定位精度，滿足渤海地震采集作業(yè)的需要，中海油又引進了Starfix-XP及Starfix.G2衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)，這兩種定位系統(tǒng)都是利用衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星時鐘的誤差進行差分修正，其定位精度在水平方向達到10 cm，在垂直方向達到20 cm。另外Starfix.G2差分定位系統(tǒng)利用了GPS+ GLONASS雙星系統(tǒng)[3]，可避免在定位作業(yè)中因衛(wèi)星受建筑物和結(jié)構遮擋而使定位質(zhì)量降低的情況發(fā)生。

2 渤海海域使用的差分GPS定位系統(tǒng)

渤海海域目前已擁有多種差分GPS定位系統(tǒng)，它可以按用戶的不同需求，提供多種不同的差分解算服務，如單頻差分解算Starfix.L1、Deltafix，雙頻載波相位差分解算Starfix-HP，以及衛(wèi)星軌道與時鐘差分定位系統(tǒng)解算Starfix-XP、Starfix.G2，另外在StarPack接收設備的解算軟件中還可對多種差分解算進行加權，得到一種最好的差分解算（Best Position），以達到一種更好的定位解算精度。

2.1 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS衛(wèi)星定位基本原理：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。實際上是將衛(wèi)星作為動態(tài)空間已知點，利用距離交會的原理確定接收機的三維位置。

GPS由三個獨立的部分組成：空間部分、控制部分（地面支撐系統(tǒng)）、用戶設備部分。GPS定位系統(tǒng)的民用精度也只能達到20 m左右，這種定位精度還是無法滿足工程測量、海洋物探等作業(yè)的定位要求。

2.2 差分GPS（DGPS）

為了提高GPS定位系統(tǒng)的定位精度，早在上世紀90年代初期GPS全球定位系統(tǒng)剛剛面世時，為反制美國的SA政策，多國科學家開發(fā)了DGPS定位技術，極大地提高了原GPS定位系統(tǒng)的定位精度，使DGPS的水平定位精度達到1～3 m左右，滿足了許多定位領域的要求。此外，海洋潮汐是沿海GPS高精度測量的關鍵誤差來源之一[4]，DGPS糾正了該誤差，從而使DGPS技術得到了廣泛使用。

DGPS技術就是利用兩臺接收機于兩個測量站上同時測量來自同一個GPS衛(wèi)星的導航定位信號，其中一個測量站位于業(yè)已測定的已知點，設在該已知點（基準點）的GPS信號接收機，叫做基準接收機，它和安裝在運動載體上的GPS信號接收機（簡稱為動態(tài)接收機）同時測量來自同一個GPS衛(wèi)星的導航定位信號?；鶞式邮諜C所測得的三維位置與已知點值進行比較，便可獲得GPS定位數(shù)據(jù)的校正值。如果及時將GPS校正值發(fā)送給若干臺共視衛(wèi)星用戶的動態(tài)接收機，而改正后者所測得的實時位置，這叫做實時動態(tài)差分法。

2.3 Starfix-XP系統(tǒng)

新一代定位系統(tǒng)Starfix-XP已在渤海海域使用，該系統(tǒng)不受差分臺的距離限制，能夠為石油、天然氣和水文地理等工業(yè)領域提供更高精度和質(zhì)量的定位服務。Starfix-XP在水平方向能夠達到0.1 m的定位精度，在垂直方向達到0.2 m的精度，該系統(tǒng)服務能力已經(jīng)遠遠超過了已往差分GPS定位市場所要求的定位精度和質(zhì)量標準。Starfix-XP屬于衛(wèi)星差分GPS定位系統(tǒng)（SDGPS），該技術是通過定位公司全球跟蹤站網(wǎng)絡來不斷跟蹤所有GPS衛(wèi)星的軌道，全球跟蹤站網(wǎng)絡能夠按順序地識別、孤立和測量每一個誤差和遮擋源，如軌道的改變和時鐘變化，從而為每一個GPS衛(wèi)星提供一整套的差分信息。該項突破性技術包含了動態(tài)高精度和完全可靠的差分信息，對任何地方都是有效的，不需要指定參考臺，不受距離限制，真正實現(xiàn)了全球化準確定位。

3 發(fā)展趨勢

隨著GPS、GLONASS導航系統(tǒng)的不斷完善和更新，以及Galileo、北斗等導航系統(tǒng)的逐步建立，能夠兼容多個導航系統(tǒng)的接收機必然成為接收機硬件發(fā)展的趨勢[5]，最新一款接收設備正在生產(chǎn)廠家進行測試，它同時能接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗等多套衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

目前中海油海上定位設備主要有水上和水下兩大類，且與國際接軌，其中水上定位設備主要使用美國天寶（Trimble）和加拿大諾瓦泰（Novatel）兩個品牌。Trimble5800接收機是一個堅固的集成測繪單元，包含性能優(yōu)良的GPS接收機、GPS天線、無線電藍牙通信和內(nèi)部微型電池，具有體積小和重量輕的特點，非常適合RTK流動站工作[6]；TrimbleSPS351信標接收機是一款性價比極高的亞米級精度的水上應用產(chǎn)品，可滿足水上施工、測量等眾多需求，它結(jié)合了成熟的DGPS定位技術和簡單易用的用戶界面，軟件性能完善。諾瓦泰的OEM6和OEMStar接收機通過固件升級實現(xiàn)北斗導航系統(tǒng)信號的跟蹤，整合到已有的GPS、GLONASS、Galileo信號接收，隨著北斗導航系統(tǒng)ICD（Interface Control Document）[7]的發(fā)布，Novatel目前可直接通過接收機產(chǎn)品實現(xiàn)北斗定位。

在差分GNSS（Global Navigation Satellite System）[8]技術方面，中海油正在研究各種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）技術，PPP技術較相對定位技術具有一些優(yōu)勢，如單機作業(yè)方便靈活、成本低；測量站之間相互獨立，無誤差傳遞；不需進行衛(wèi)星間求差，模型簡單；定位精度不受測站與基準站之間的距離限制，精度均勻，可直接實現(xiàn)在ITRF（InternationalTerrestrialReference Frame）框架下的高精度定位[9]。

目前我國海洋石油海上定位技術與國際上的差距主要體現(xiàn)在有無動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System，DPS）[10]和定位精度上。我國自升式鉆井平臺和半潛式鉆井平臺與固定生產(chǎn)平臺的對接就位，大部分通過鉆井平臺的四個錨的收放作業(yè)，以及與GPS和全站儀的配合來實現(xiàn)初就位和精就位，而美國等定位技術發(fā)達的國家則直接通過DPS控制船體。該系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)，目前國際上動力定位系統(tǒng)最高定位級別是DP3，2012年5月投入使用的海洋石油981鉆井平臺采用的就是DP3動力定位系統(tǒng)。在定位精度方面，我國的北斗導航系統(tǒng)定位精度為20 m、綜合定位精度為0.1 m，而美國的GPS定位精度為10 m[11]、綜合定位精度可以達到0.01 m，可見在定位精度方面，兩者還存在較大差距。

從以上分析可以看出，我國海洋石油海上定位技術發(fā)展的主要路線是引進國外先進技術和設備，從而達到迅速提高海上定位技術水平和服務能力的目的；同時通過自身努力，逐步實現(xiàn)定位設備的國產(chǎn)化。目前與國外定位技術和設備相比盡管仍然存在一定差距，但是自從北斗導航系統(tǒng)投入使用后，差距正在逐步縮小。

4 結(jié)束語

隨著我國北斗導航系統(tǒng)的建設，使海上大型聯(lián)合作業(yè)應用的導航定位系統(tǒng)有了更多的選擇。2020年，北斗導航系統(tǒng)將實現(xiàn)全球覆蓋，屆時我國海洋石油海上大型作業(yè)將實現(xiàn)獨立依靠北斗導航系統(tǒng)進行導航定位的目標。

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Overview on Navigation and Positioning Technology Development of China NationalOffshore OilCorporation

Zhang Baoping
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China

By taking the positioning equipment and techniques of seismic data acquisition operations in domestic offshore oil exploration and development as the main line，this paper puts the emphasis on the navigation and positioning technology development course of China National Offshore Oil Corporation，and describes several advanced differential GPS positioning systems applied in Bohai Sea.Then it discusses current status of domestic navigation and positioning technology and the disparity compared with advanced international level，and analyzes the development trend of navigation and positioning technology.

offshore petroleum；navigation and positioning；DGPS；physicalexploration；development overview

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.001

張寶平（1981-），男，山東青州人，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學（華東）石油工程專業(yè)，主要從事海上鉆井平臺定位技術、就位方案設計、插拔樁方面的技術研究工作。

2014-10-22；

2015-02-25