中海油海上导航定位技术发展综述

张宝平

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

中海油海上导航定位技术发展综述

张宝平

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

以我国海洋石油勘探开发中地震采集作业使用的定位设备和定位技术为主线，着重介绍了中国海洋石油总公司海上导航定位技术的发展历程，描述了目前在渤海海域使用的几种先进的差分GPS定位系统，讨论了我国导航定位技术水平现状以及与国际先进水平的差距，分析了导航定位技术的发展趋势。

海洋石油；导航定位；DGPS；物探；发展综述

0 引言

目前全球建成并使用的导航定位系统有：美国的全球定位系统（GlobalPositioning System，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GlobalNavigation Satellite System，GLONASS）、我国的北斗卫星区域导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System，Galileo），还有日本在建的准天顶卫星系统（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）[1]。

海上石油开发的大型作业主要有：地震采集作业、导管架安装作业、钻井平台和生产平台对接作业、海底管道管缆铺设作业和大型设施拖航就位作业。这些作业都要用到先进的导航定位系统，目前主要使用差分全球定位系统（Differential Global Positioning System，DGPS）。随着我国北斗卫星导航系统研制成功，从去年开始中国海洋石油总公司（以下简称中海油）逐步试用北斗卫星导航系统，该系统是我国独立自主研制和建设的天基卫星导航和授时系统[2]，其授时精度不超过50 ns，符合海上石油作业定位要求。

本文以我国海洋石油勘探开发中地震采集作业使用的定位设备和定位技术为主线，以中海油为重点，介绍了我国海洋石油海上导航定位技术的发展历程，讨论了我国导航定位技术的应用情况、现有水平以及与国际先进水平的差距，分析了导航定位技术的发展趋势。

1 我国海洋石油导航定位技术发展历程

我国海洋石油地震采集作业中定位测量技术经历了50年的发展，尤其是在上世纪八十年代改革开放后，开展与国外公司合营、合作，不断引进先进的定位技术和装备，在海上石油的勘探开发中，我国定位导航技术达到了国外先进水平。

1963-1965年我国海洋物探作业开展初期，缺乏海洋定位导航专用设备。在海上地震采集作业中，其测量方法基本上是搬用陆地上测量点位的方法，为此专门成立了一个海陆测量建标队。在近海地区，利用国家测绘部门在海岸已建的三角点或自行补建大地点通用的钢质觇标，或选择近海处的高大建筑物顶端，测量其坐标位置做为控制点；远离海岸时，则在海上建简易钢质觇标，用前方交会法测出坐标位置。物探船就根据这些基本控制点，使用光学六分仪，采用后方交会法测定地震炮点和重力观测点位置。经反复观测，采用第四个控制点校核，精度一般可控制在15 m左右。定位人员用经纬仪定方向，测绳量距离的附合导线及支导线测量方法，来测定物探点位；深海物探作业使用六分仪确定测线起始点，而后使用航海罗经仪定向、六分仪测天文核校、航速定距来确定点位，在物探测线终点用陆上控制点做前方交会核校，误差达到1～3海里。

1966年从法国引进TORAN 3P（道朗3P）无线电定位仪，应用于深海物探的定位导航，并与国内厂家协作，将GHJ-500W归航机改装为定位仪，解决重力、磁力勘探的定位导航问题。为此，专门成立了无线电定位队，初步拥有了适合海洋石油物探作业的定位设备，测量定位精度提高到20 m以内。但由于这种设备是双曲线相位系统，只适应白天作业，而且受天波干扰时容易发生整相位数值混乱，所以仍然需要由建标队在物探作业的海域建造简易钢质觇标或大量抛放灯鼓，供物探作业船队在每日作业的始、末时间对定位仪进行对标校核。有时在作业中会突然遭遇雷电干扰，使定位数据失真，往往造成物探采集资料报废。

1974年，引进了TORANP100（道朗P100）型具有一级相识别功能的定位仪，但仍需日出而作，日落而息地定时进行相位对标检测，致使物探作业效率受到影响。1977年在北黄海地震作业中也曾使用过国产长河1号船舶导航系统，但其定位质量仅能满足区域概查要求。在这一时期，为解决定位技术落后的状况，曾求助于国内有关科研单位仿制相识别仪，或支持自己公司的技术人员与外单位协作试制不对标定位仪，但终因国内技术、设备、工业基础水平所限而未获成功。

由于我国定位技术和设备的落后，1979-1982年间我国海域的石油勘探定位市场分别被新加坡杰阿曼克斯公司和英国台卡测量公司所占领，他们在渤海、黄海和南海分别布设了当时世界上较为先进的SYLEDIS（塞里第斯）、ARGO（阿戈）、MAXIRAN（马西兰）和PULSE/8（脉冲/8）等无线电定位系统。

1982年中海油成立前后期间，为适应海洋石油勘探全面对外合作的新要求，加速了定位设备的引进。这一时期引进了MX-1502大地卫星接收机、SYLEDIS无线电定位系统和船用综合卫星定位导航系统等。1983年成立中外合资公司后，先后使用了SYLEDIS、HYPERFIX（哈波菲克斯）、ARGO、PULSE/8、MAXIRAN、Transponder等陆基无线电定位系统。

随着GPS卫星定位系统的出现，定位领域出现了一场前所未有的革命，它彻底地改变了传统的定位技术。进入上世纪九十年代，国际上在海洋定位作业中普遍采用GPS全球卫星定位系统及差分GPS定位技术，取代了台站多、费用高、人员多的陆基无线电定位系统，使海上定位作业实现了全天候、全覆盖（600 km）、低成本、高精度（1～3 m）的要求。在GPS全球卫星定位系统出现的初期（1993年），中方相继先后引进了GPS（全球卫星定位系统）定位技术及差分GPS数据链设备（如Deltafix DGPS、NR103 DGPS、Skyfix DGPS等）。由于采用差分GPS定位技术，不但使控制范围更加扩大，同时取消了原先布设在沿海的陆地无线电定位台站，使作业成本大幅度降低。1993-1994年，中方利用英国雷卡测量公司布设在香港、越南、日本等地的GPS控制点，与我方布设在沿海地区的控制点进行了联测，并由雷卡公司使用美国精密星历进行平差处理，建立了纳入世界WGS-84坐标系的GPS大地控制网，使各海区定位作业的坐标建立在统一、可靠的基础上。

在上世纪90年代初引进Deltafix陆基差分GPS定位系统之后，很快又引进了外方母公司的Skyfix星基差分GPS定位系统，这样在我国海域作业的物探船上就有了两套完全独立的差分GPS定位系统，从而使物探作业的定位工作不受任何天气及其他干扰因素的影响，保证其作业全天候24 h不间断进行。

为进一步提高定位精度，满足渤海地震采集作业的需要，中海油又引进了Starfix-XP及Starfix.G2卫星差分定位系统，这两种定位系统都是利用卫星轨道和卫星时钟的误差进行差分修正，其定位精度在水平方向达到10 cm，在垂直方向达到20 cm。另外Starfix.G2差分定位系统利用了GPS+ GLONASS双星系统[3]，可避免在定位作业中因卫星受建筑物和结构遮挡而使定位质量降低的情况发生。

2 渤海海域使用的差分GPS定位系统

渤海海域目前已拥有多种差分GPS定位系统，它可以按用户的不同需求，提供多种不同的差分解算服务，如单频差分解算Starfix.L1、Deltafix，双频载波相位差分解算Starfix-HP，以及卫星轨道与时钟差分定位系统解算Starfix-XP、Starfix.G2，另外在StarPack接收设备的解算软件中还可对多种差分解算进行加权，得到一种最好的差分解算（Best Position），以达到一种更好的定位解算精度。

2.1 全球定位系统（GPS）

GPS卫星定位基本原理：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。

GPS由三个独立的部分组成：空间部分、控制部分（地面支撑系统）、用户设备部分。GPS定位系统的民用精度也只能达到20 m左右，这种定位精度还是无法满足工程测量、海洋物探等作业的定位要求。

2.2 差分GPS（DGPS）

为了提高GPS定位系统的定位精度，早在上世纪90年代初期GPS全球定位系统刚刚面世时，为反制美国的SA政策，多国科学家开发了DGPS定位技术，极大地提高了原GPS定位系统的定位精度，使DGPS的水平定位精度达到1～3 m左右，满足了许多定位领域的要求。此外，海洋潮汐是沿海GPS高精度测量的关键误差来源之一[4]，DGPS纠正了该误差，从而使DGPS技术得到了广泛使用。

DGPS技术就是利用两台接收机于两个测量站上同时测量来自同一个GPS卫星的导航定位信号，其中一个测量站位于业已测定的已知点，设在该已知点（基准点）的GPS信号接收机，叫做基准接收机，它和安装在运动载体上的GPS信号接收机（简称为动态接收机）同时测量来自同一个GPS卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与已知点值进行比较，便可获得GPS定位数据的校正值。如果及时将GPS校正值发送给若干台共视卫星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实时位置，这叫做实时动态差分法。

2.3 Starfix-XP系统

新一代定位系统Starfix-XP已在渤海海域使用，该系统不受差分台的距离限制，能够为石油、天然气和水文地理等工业领域提供更高精度和质量的定位服务。Starfix-XP在水平方向能够达到0.1 m的定位精度，在垂直方向达到0.2 m的精度，该系统服务能力已经远远超过了已往差分GPS定位市场所要求的定位精度和质量标准。Starfix-XP属于卫星差分GPS定位系统（SDGPS），该技术是通过定位公司全球跟踪站网络来不断跟踪所有GPS卫星的轨道，全球跟踪站网络能够按顺序地识别、孤立和测量每一个误差和遮挡源，如轨道的改变和时钟变化，从而为每一个GPS卫星提供一整套的差分信息。该项突破性技术包含了动态高精度和完全可靠的差分信息，对任何地方都是有效的，不需要指定参考台，不受距离限制，真正实现了全球化准确定位。

3 发展趋势

随着GPS、GLONASS导航系统的不断完善和更新，以及Galileo、北斗等导航系统的逐步建立，能够兼容多个导航系统的接收机必然成为接收机硬件发展的趋势[5]，最新一款接收设备正在生产厂家进行测试，它同时能接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗等多套卫星定位系统。

目前中海油海上定位设备主要有水上和水下两大类，且与国际接轨，其中水上定位设备主要使用美国天宝（Trimble）和加拿大诺瓦泰（Novatel）两个品牌。Trimble5800接收机是一个坚固的集成测绘单元，包含性能优良的GPS接收机、GPS天线、无线电蓝牙通信和内部微型电池，具有体积小和重量轻的特点，非常适合RTK流动站工作[6]；TrimbleSPS351信标接收机是一款性价比极高的亚米级精度的水上应用产品，可满足水上施工、测量等众多需求，它结合了成熟的DGPS定位技术和简单易用的用户界面，软件性能完善。诺瓦泰的OEM6和OEMStar接收机通过固件升级实现北斗导航系统信号的跟踪，整合到已有的GPS、GLONASS、Galileo信号接收，随着北斗导航系统ICD（Interface Control Document）[7]的发布，Novatel目前可直接通过接收机产品实现北斗定位。

在差分GNSS（Global Navigation Satellite System）[8]技术方面，中海油正在研究各种卫星定位系统的精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术，PPP技术较相对定位技术具有一些优势，如单机作业方便灵活、成本低；测量站之间相互独立，无误差传递；不需进行卫星间求差，模型简单；定位精度不受测站与基准站之间的距离限制，精度均匀，可直接实现在ITRF（InternationalTerrestrialReference Frame）框架下的高精度定位[9]。

目前我国海洋石油海上定位技术与国际上的差距主要体现在有无动力定位系统（Dynamic Positioning System，DPS）[10]和定位精度上。我国自升式钻井平台和半潜式钻井平台与固定生产平台的对接就位，大部分通过钻井平台的四个锚的收放作业，以及与GPS和全站仪的配合来实现初就位和精就位，而美国等定位技术发达的国家则直接通过DPS控制船体。该系统包括传感系统、动力系统和推进系统，目前国际上动力定位系统最高定位级别是DP3，2012年5月投入使用的海洋石油981钻井平台采用的就是DP3动力定位系统。在定位精度方面，我国的北斗导航系统定位精度为20 m、综合定位精度为0.1 m，而美国的GPS定位精度为10 m[11]、综合定位精度可以达到0.01 m，可见在定位精度方面，两者还存在较大差距。

从以上分析可以看出，我国海洋石油海上定位技术发展的主要路线是引进国外先进技术和设备，从而达到迅速提高海上定位技术水平和服务能力的目的；同时通过自身努力，逐步实现定位设备的国产化。目前与国外定位技术和设备相比尽管仍然存在一定差距，但是自从北斗导航系统投入使用后，差距正在逐步缩小。

4 结束语

随着我国北斗导航系统的建设，使海上大型联合作业应用的导航定位系统有了更多的选择。2020年，北斗导航系统将实现全球覆盖，届时我国海洋石油海上大型作业将实现独立依靠北斗导航系统进行导航定位的目标。

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[7]杨洋.航空电子系统接口控制文档工具的设计与实现[J].航空电子技术，2014，45（1）：24-29.

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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

张宝平（1981-），男，山东青州人，工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，主要从事海上钻井平台定位技术、就位方案设计、插拔桩方面的技术研究工作。

2014-10-22；

2015-02-25