浅析Ka卫星通信在海洋石油行业的应用

谢晓辉，王 平，张 轲，黄华山，李 吉

（1.中国海洋石油集团有限公司，北京 100010；2.中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

0 引言

卫星通信于20世纪60年代进入实用阶段，经过多年发展，技术水平快速提升，应用领域极大拓展，不但逐渐成为关键设施和特殊行业的重要数据通信手段，还深深融入人们的日常生活与工作中，促进生产信息化和工业互联网的发展。

中海油早在20世纪80年代就开始在海上应用卫星通信，90年代初建立了海上VSAT卫星专网承载海上勘探开发生产应用、日常办公和应急通信等数据传输，并逐步建设了覆盖全海域的C波段、Ku波段卫星通信专网。传统的卫星通信带宽受限且成本较高，宝贵的卫星资源仅用于一线生产所需，无法承载大数据传输和海上员工的日常生活通信。Ka高通量卫星通信技术的出现和商用，给卫星通信在海上应用带来了广阔的发展前景。本文结合中海油海上平台信息化业务的发展，浅析Ka卫星通信在海洋石油勘探开发业务中的特点和优势，对今后深入挖掘其潜在应用价值具有重要的参考意义。

1 Ka卫星通信

卫星通信可使用包括L、S、C、Ku、Ka等多个频段。Ka频段工作范围为26.5-40 GHz，远超过C频段（3.95-8.2 GHz）和Ku频段（12.4-18.0 GHz），可运用的频带相对更宽，因此，可为对带宽需求较高的应用，如：高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务等新业务提供传输能力。

1.1 应用优势

Ka卫星通信相比传统的C波段和Ku波段卫星通信有以下几个优势：

（1）链路带宽大：Ka波段卫星频率复用后的总带宽可以达到3.5 GHz，而传统的C、Ku波段只能达到500-1000 MHz的带宽。

（2）抗干扰性强：由于常见干扰源的频率均远离Ka波段，所以不容易对Ka波段卫星通信造成干扰。

（3）天线口径较小：根据电磁波通信原理，在使用相同尺寸天线接收时，通信频率高则能获得更优的天线增益，Ka卫星通信使用小口径天线也能获得足够强的增益。

（4）安装使用方便：Ka卫星通信使用的设备智能化程度高，系统的建设对外部安装环境要求低，天线尺寸相对较小，因而安装开通比较容易。

1.2 国内发展情况

我国首颗高通量卫星“中星16号”于2017年发射升空并正式商用，用户通过终端设备可以方便快速地接入网络，下载以及回传速率的理论值最高分别达到150 Mb/s和12 Mb/s[1]，实现了高速宽带和无缝双向接入。

中星16号卫星上共有26个用户点波束和3个馈电波束，能够覆盖我国除了西北、东北以外的大部分陆地和近海近300 km范围的海域，卫星总容量为20 Gb/s左右。随着市场需求的进一步扩大，更大容量的Ka高通量卫星也将进一步发展，以满足宽带中国战略和各行业的宽带通信需求[2]。

2 Ka卫星通信在中海油的实际应用

海洋石油主要海上作业设施包括钻井平台和采油平台。钻井平台上装有钻井、动力、通信、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施[3]；海上采油平台是使用钢材或混凝土，或两者混用建造的海上工作平台，用于近海和远海石油开采。在海上油气勘探开发时，钻井平台长期处于远离陆地的海洋之中，不仅手机信号存在覆盖盲区，光纤、通信电缆等通信手段也无法企及。尤其是在钻井平台航行过程中，与外界的数据通信目前只能依靠卫星通信手段来实现。采油平台虽然除卫星通信外尚有光纤、微波等数据通信方式，但在海洋复杂环境中，光缆被渔船锚链切断、微波通信受外部干扰导致通信质量下降甚至中断的情况时有发生。因此，卫星通信是海上平台与陆地通信的重要方式，而传统通信卫星工作在C波段、Ku波段，存在着带宽窄、资费高的天然劣势，新型Ka波段高通量卫星通信成为满足海上平台信息化发展需求的重要途径。

2.1 应用场景

Ka卫星通信业务在中国海洋石油行业中的应用场景如下：

（1）平台宽带业务传输。为海上平台生产一线员工提供大带宽数据通信服务，满足员工工作、生活的宽带网络需求，提供视频会议、远程协助、可视通话、数据传输、互联网访问、在线学习教育等常用互联网业务。

（2）突发性大数据传输。钻井平台在海上打井期间需要实时传输钻井过程的各类工业数据，尤其是在进行高温高压井钻探以及遇到突发特殊事件时，需要将钻探实时数据、现场图像、视频等关键信息及时传送回陆地决策机构，从而获得陆地的技术支持、协调辅助和关键决策。Ka卫星通信系统能提供几十兆至上百兆的最大带宽，且天线设备相对较小，安装建设快捷，从而能够及时有效地满足海上作业船舶突发性大数据传输的应用需求。

（3）生产应急链路备份。生产应急链路备份主要指针对采油平台的骨干链路备份。目前，中国海油大部分采油平台海陆干线均有微波（散射）骨干链路，这些微波（散射）干线通信链路一般带宽较高、但受天气因素影响较大，会出现链路短时中断情况，对采油平台数据传输会造成一定的影响。因此，在这种突发性的链路中断情况下，Ka卫星通信系统高带宽的传输特点可在生产应急中发挥作用。

2.2 系统建设与测试

中国海油海上作业设施种类较多，因采油平台与钻井平台对卫星链路资源需求较大，所以Ka卫星通信系统主要用于钻井平台（半潜式）及微波链路需改善的采油平台。由于部分钻井平台属于半潜式平台，平台会有轻微摇摆，因此，对Ka自动跟踪天线的跟踪效果和链路稳定性都提出了考验。

鉴于Ka卫星通信技术优势，从2017年起，分别在南海和东海开展了Ka卫星宽带互联网访问、大数据传输和链路备份相关测试验证工作。由于Ka卫星通信只能通过中国卫通北京地面站接入公用互联网，为实现利用Ka卫星互联网落地后接入企业内网，需进行端-端IP-VPN加密隧道传输验证，并对IP-VPN组网工作原理、体系架构、隧道协议、组网能力、网络可扩展性等关键技术进行研究测试。

（1）互联网访问接入测试。在南海西部油田选取相关平台进行Ka卫星通信业务测试工作，经链路测试，最大实测带宽能够达到60 Mb/s。如图1所示。

图1 系统链路测试结果

根据平台现场管理要求，将Ka卫星业务测试安排在每天晚上进行，时间段在18时至24时期间。经过现场监测，在测试时间段，Ka卫星网络使用人数平均为35人左右，使用的互联网应用包括了语音通信、视频通信、视频观看、学习平台等。对实际流量进行监控，平均每小时使用的卫星流量为2 GB左右。通过本次Ka卫星业务测试，可以验证Ka卫星通信能够满足海上平台对互联网宽带接入的需求。

（2）某钻井平台Ka卫星通信系统建设。该平台属于半潜式平台，船身随时处于动态，因此，在卫星天线上选取了能够进行自动跟踪的Ka全自动跟踪天线。系统拓扑图如图2所示。

图2 某钻井平台系统拓扑图

选取平台上层空旷的位置安装室外天线，充分考虑周围建筑物、设施、电磁环境、易维护性、安全环保等因素，并确保在天线方向上没有高大遮挡物对信号造成遮挡。完成天线底座焊接、电缆铺设、防腐加固等步骤措施。0.6米卫星天线安装如图3所示。

图3 卫星天线安装图

天线系统选择国产品牌设备，具有体积小、易于安装维护、智能化高等特点。从天线系统引出的网线可以直接接入平台网络系统，无须额外的室内卫星设备。用户终端接入平台网络系统后，即可直接使用Ka卫星宽带网络。

（3）系统运行。建设完成后对系统的运行情况进行跟踪观察并记录运行数据，如表1所示。从表中可以看出，端站信号情况比较稳定，Es/No值基本维持在6.5 dB至7.4 dB之间，空间传输能力测试结果为：上行约7.6 Mb/s，下行约62 Mb/s；网络测速如图4所示：下载约6.34 Mb/s，上传约1.29 Mb/s。

表1 系统运行观察数据

图4 网络测速结果

通过IPSec VPN的方式与海油企业内网对接，进行相关生产、办公应用的使用测试。由于平台路由器的WAN口地址为卫通公司防火墙NAT自动分配来的私网地址，因此IPSec VPN对接采用NAT穿透野蛮模式，由平台路由器发起主动连接。IPSec VPN隧道连接建立后，进行日常办公、生产应用数据传输。经测试验证，平台局域网通过Ka卫星链路，可以ping通陆地海油内网地址。关闭IPSec VPN隧道连接后，平台用户可以直接访问互联网地址。

在实际应用中，为确保内外网访问安全逻辑，在平台单独部署互联网路由器用于互联网接入。互联网路由器及办公网路由器通过复用器接入Ka卫星MODEM，并通过策略控制做到上网流量和办公流量逻辑隔离，在IPSec VPN隧道建立后仅允许平台内网数据传输，隧道拆除后用户可访问互联网。

2.3 系统推广与应用

根据“中星16号”Ka卫星测试结果，中海油2019年开始实施《渤海、南海通信网络改造及新技术研究应用项目》，实现海陆干线提速、平台网络改造、海上员工上网覆盖及新技术研究应用（北斗、5 G、海缆）等多项目标。该项目于2021年6月竣工，其应用Ka卫星通信技术实现了南海东部20个平台员工上网全覆盖、南海西部9条钻井平台互联网覆盖及钻井大数据应急传输、采油平台海陆干线卫星链路备份，海上通信链路可用性从原来85%-90%提升至干线97%、支线95%以上。

（1）南海西部平台。南海西部作业的九艘钻井平台建设开通了Ka高通量卫星通信系统。每个钻井平台均按照统一的结构进行安装与调试，并在平台室内机柜安装流控和网络设备。建设完成后，对各平台Ka卫星系统的天线控制系统、IP速率、卫星状态监控、数据带宽等均进行了测试，并做了长期的跟踪观察。Ka系统卫星带宽测试结果如图5所示。

图5 Ka卫星带宽测试结果

经过长期验证，各个平台在移动航行以及井位定点作业时，Ka卫星通信带宽接入都能够稳定达到50 Mb/s，且链路运行稳定，满足钻井平台网络宽带使用需求。

（2）南海东部平台。在南海东部，为约20个平台部署了10套Ka卫星通信系统，并通过油（气）田内部微波等其他独立传输网络，将Ka卫星带宽网络向油（气）田中其他平台共享。完成网络覆盖后，在每个Ka卫星站覆盖的设施上安装一套室内无线覆盖系统，并通过上网行为管理器对该设施覆盖的周边小平台用户上网行为及账号进行管控。

南海东部平台部署Ka卫星和无线覆盖，实现了每个平台宽带互联网卫星全覆盖，下行速率最高可达60 Mb/s，每月产生流量3T，覆盖人员超过700人，且链路运行稳定，满足了海上油（气）田网络宽带使用需求。

（3）应用效果。传统窄带宽卫星通信只能满足平台人员电话、小数据传输等少量信息通信业务，而Ka卫星的应用使海上平台流畅的应用视频会议、视频通话、远程协助技术支持等信息化业务，丰富了海上应急通信技术手段和海上一线员工与外界交流和新闻资讯获取途径。

Ka卫星通信在中海油的推广建设，有效解决了海上平台通信带宽不足的瓶颈，提升了通信网络稳定性和用户感受。

3 结束语

随着Ka高通量卫星发展，使用场景日新月异，人们也越来越体会到新技术给生产生活带来的便利。通过Ka卫星通信的在我国海洋石油行业的实际应用，可以看到其相对传统C、Ku卫星通信模式有其独特的应用优势。Ka卫星通信在海洋、山岭等偏远地区，以及针对特殊通信保障、突发应急通信等不同需求，发展前景良好。作为一种新型通信技术，Ka卫星通信的技术和应用潜力尚未被完全发掘，今后仍有必要对其开展进一步研究，这也将会成为我国在信息化发展道路上的重点研究方向之一。