基于北斗卫星导航系统的船联网应用研究

郭 毅

（武汉理工大学，湖北 武汉430070）

1 北斗卫星导航系统简介

1.1 系统简介

中国北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。

2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。目前，北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。

我国北斗卫星导航系统的建设实施三步走的规划：第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等；第二步是到2012年，计划发射10 多颗卫星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统（即“北斗二号”区域系统）；第三步是到2020年，建成由5颗地球静止轨道和30 颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

1.2 北斗短报文功能简介

短报文功能是北斗特有的而GPS不具备的一项技术突破。所谓短报文，是指卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之前能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，而GPS 只能单向传递（终端从卫星接收位置信号）。短报文意味着信息传递的效率更高，比如在普通移动通讯信号不能覆盖的情况下（例如地震灾害过后通讯基站遭到破坏），北斗终端就可以通过短报文进行紧急通讯等。

北斗系统最大的特色在于有源定位和短报文特色服务，不仅解决了中国有无卫星导航系统的问题，还能将短信和导航结合，是中国北斗卫星导航系统的独特发明，也是其一大优势。其他卫星导航系统只是告诉你什么时间、在什么地方，而北斗卫星导航系统除了让你自己知道在什么时间、什么地方之外，还可以将你的位置信息发送出去，使你想告知的其他人获知你的情况，解决了何人、何事、何地的问题。

2 船联网的定义

要解释何为船联网，就要先说明什么是物联网。物联网是指通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用，物联网也被视为互联网的应用拓展。因此应用创新是物联网发展的核心。

物是抽象的，但物联网是具体的。因此物联网的发展必须是从具体的“物联”入手。当前物联网正在从概念走向具体，率先找到条件成熟的行业建立专业物联网是抢占物联网发展先机的一条科学道路。其中车联网已经开始行动，而船联网也是物联网的一个重要的且条件较为成熟的应用领域。

和物联网的定义类似，船联网是将各类船只在统一标识的基础上，通过加装或利用已经存在的末端设备，用各种技术手段（北斗、海事卫星、AIS、移动互联网等技术）实现互联互通，在内网、专网或互联网的环境下，为各类船舶利益相关用户群提供船位监控、调度指挥、安全服务、电子商务、信息服务等应用的管、控、营一体化系统。

3 船联网的系统架构

船联网的架构层次划分和物联网是相同的，即感知层、网络层、应用层。但具体到船联网，正好可以用“船”、“联”、“网”三个字来概括这三层架构，如图1所示。

图1 船联网的三层架构

“船”：指各类船只，如渔船、运输船、游艇等，配置了船联网设备（相当于物联网概念中的传感器、末端设备）。

“联”：目前船舶的标识、通信手段主要有北斗、海事卫星、AIS、移动互联网等技术手段，该层包含了各种手段的通信节点和通信网络。

“网”：通过“联”，把“船”联结到了一起，经由中间件构成具体的网络应用系统，基于开放的互联网架构，采用云计算技术，提供面向行业和公众的服务，具体为船联网公共服务平台、船联网示范应用等范畴。

图2 船联网组成架构示意图

船与一般意义上的物不同，上面有人，因此，船上的传感器和末端设备除了感知、信息处理、信息收发之外，还有人机交互的功能，因此，这些设备不是单纯的“物”——如一袋米上的RFID 标签，一个隧道口的探头和网络传输设备，而是包括对船本身以及船上的人的感知，因此该设备不是一般意义上的船载设备概念，本文中称这类船载设备为“船感器”，虽然发音和物联网的“传感器”相同，但含义更加具体，特指船联网的末端设备，用于感知船和船上的人。

各类“船感器”获得的信息通过各种联接手段，如图2 空中的北斗卫星链路、海事卫星链路，地面的AIS、移动通信基站及地面链路汇总到区域的一个中心节点，这个区域中心节点将区域内的所有船舶互联互通。所以各类“船感器”必须遵循船联网的基础标准和通信协议，这也是其与普通船载设备的重要区别，因此，本文用“船感器”这个词来表示这类末端设备。

4 建设船联网的意义

规划中的“中国船联网”由多个区域中心组成，其中有1 个数据中心，1 个或多个备份数据中心，其余为接入及服务区域中心，这种架构符合当前我国船舶属地管理的客观情况和云计算的技术架构。每个区域中心主要负责中心范围内各类船舶的互联，并将这些信息联通、共享，形成覆盖全国的网络。区域中心设立在条件合适的城市。

发展船联网符合国家的物联网战略，是国家战略性新兴产业的重头戏——“云计算”这一新兴信息技术应用的具体体现，具有广阔的前景，可以发展成行业云计算中心、行业数据托管中心、行业门户网站。

船联网不再是自我封闭的船舶监控调度系统，而是采用开放的、可持续发展的互联网、云计算的架构，基于专业市场，面向全社会提供服务。船联网服务对象有了很大的延伸：由原来的政府船舶管理机构扩展到渔民、船老板、渔老板、渔民家属、船舶运输业相关群体、游艇、水上运动、旅游休闲、商务接待等各类服务对象。船联网接入对象克服了属地管理、条块分割管理的问题，能够将各类船舶接入，使得信息得以充分共享，创造价值。船联网提供的服务有很大的扩展：从重点面向大型作业船只的安全救援服务、有限信息服务扩展到面向各类船只的安全服务、调度指挥、电子商务、信息服务等应用的管、控、营一体化服务，并且能够以全新的船易通方式获得服务。船联网的发展与国家的物联网战略相一致，是国家战略性新兴产业中的重要组成部分，可以成为中国物联网的行业数据中心，行业云计算服务中心、数据托管中心等。

船联网是现有船舶管理系统的一次重大进化，从图1可以看出，原来的船舶管理系统中的船载设备进化为“船感器”，获得服务的手段进化为“船易通”，这使得原有的各种设备虚拟化，手段多样化，使用移动化：当一个设备接入到船联网中，那么这个设备就被虚拟化，可以被船联网用户调用。举例来说，船易通通过无线网络和服务中心相连，可以使用中心提供的北斗信道、移动互联网信道，AIS信道和船舶联通；而船舶上的船感器可能只需要有一种信道的能力，比如移动互联网信道，其就可以通过中心使用北斗、AIS和其他船舶互联，手段得到很大的扩展，而且也不必正襟危坐在监控值班室使用，只是要打开船易通就可以了。

这样，船联网带来了全新的安全管理控制，之前的船舶需要依赖自身大量的设备才能保证安全，现在可以利用强大的船联网实现过去无法想象的功能：比如不仅仅靠AIS避碰，船联网可以帮你避碰，中心可以告诉你周边船舶的信息，提醒你碰撞的风险。船感器可以把更多的信息传回来，比如AIS岸台收不到的信息，可通过船联网的其他通道传回，能够大大延伸距离较短的手段的使用范围，创造新的应用模式。船联网建成后，可以依托中心创建各类新型的应用，其局限仅仅是在于我们想象力的限制，这就是网络的力量、系统的力量。

因特网的一大功能就是使得信息的获取更容易，获得的信息又非常丰富，极大地改变了人们的生活。船联网也是这样，将改变船上的人、陆地关联人群的信息获取和沟通方式。以往船舶出行后是没有音讯的，要靠拜菩萨、靠运气，有了短波这种手段之后，有所改善。而船联网的出现，将使得船舶的通信一步跨入互联网时代，通过船感器、船易通，不但提供语音和短信的沟通，而且船联网将因特网上流行的QQ 式聊天通信，Web页式信息获取，微博形式的社交网络通信带给船上的人群和陆地的关联人群。这将给他们的生产、生活带来极大的便利。

5 船联网建设内容

基于北斗导航系统的船联网系统架构如图3所示。

图3 船联网系统架构示意图

由图3 可知，基础标准及协议为船联网的基础，其上有“船”、“联”、“网”三个组成部分，构成了整个系统。

“船”是指符合船联网标准和协议的中远海北斗船载终端、北斗AIS船载终端、近海船载终端等船感器和末端设备，统称为船感器。

“联”包括北斗卫星空间和地面站网络系统、AIS地面基站及网络系统、移动通信基站和网络系统等网络设施。

“网”的内涵可分为两部分：一部分是汇聚各类“船”和“网”的信息，并为具体的应用提供操作、数据交换和统一管理的船联网公共服务平台，这个平台也可以看成是船联网的中间件，为各类具体应用提供服务；另一部分是各类基于平台的应用，一类是面向渔业经济的应用示范，另一类是服务于其他行业的应用示范，如面向游艇旅游的船联网应用示范等。这些应用直接面对各类船联网用户，其重要性不言而喻。面向渔业经济的应用示范就是利用船联网满足渔民、渔民家属以及产业链上各类人员之间的沟通、交易需求，是非常重要的应用方向，广大的渔民、渔民家属、利益相关者对船舶的位置、航行的气象，主管部门的政策信息、军事单位发布的临时管制，渔业市场的交易信息等非常关注，提供web方式及船易通方式的船联网服务是示范应用的一个重头戏，船易通具有良好的便携性，能够进一步拓宽船联网在时间、空间上的应用强度。

5.1 系列船联网船感器

船感器是船联网的重要组成部分，在船联网中担负着船舶信息的采集、信息的显示、信息的发送和接收、船上人员的交互等关键任务，船感器既是感知的一部分，也是网络的一部分。船感器包含两个方面的研制工作：一是研发全新的船感器；二是在原有设备基础上进行面向船联网标准、协议、新功能需求的增强和改进，改进为船联网船感器。

根据用户的使用环境以及用户的需求，可以将这些船感器分为以下几类：中远海船舶船载终端、近海船舶船载终端、北斗AIS终端等。

中远海船感器适用于中远海船舶，采用北斗专用芯片，实现基于北斗系统的定位和通信功能，同时兼容GPS系统，提高了系统的可用性；在大幅度提高产品集成度的同时，强调标准化及可靠性设计，从而进一步降低成本、提高可靠性；在环境适应性上充分考虑不同行业的要求，拓宽产品的适用范围。

近海船感器主要应用于近海船舶、内河船舶，采用北斗二代系统和GPS卫星系统，实现组合定位。该终端能够利用北斗二代系统的RDSS功能或移动通信功能，进行汉字和代码通信，实现渔船的位置报告、紧急报警、以及短报文通信等有关信息的通信。

北斗AIS船感器适用于中远海船舶，也可应用于内河，其特点是除了内置北斗功能外，还内置AIS Class-B 船舶自动识别系统的功能，可以将通过AIS Class-B 获得本渔业船舶周围最近的其他船舶的态势信息。

5.2 移动监控设备/软件

移动监控设备/软件包括两部分：北斗增强型接收机和“船易通”系列软件。

5.2.1 北斗增强型接收机

北斗增强型接收机是基于北斗卫星的定位、通信、授时和基于位置的信息服务等技术开发的一款北斗接收机。该设备可管理的下属北斗用户机数量多、范围大，可实时监控北斗系统覆盖区域内授权用户的定位信息和短报文通信信息。

北斗增强型接收机与北斗终端之间通信信息的互通，可以不通过北斗星通运营服务中心实现，而直接应用北斗系统的卫星链路，进行接收其辖属北斗终端所发送的位置报告、报警和短报文通信等各种信息。1台北斗增强型接收机能够注册辖属北斗终端的基本数量为2 000台，并且可以以2 000台的倍数进行扩展，其扩展的最大容量为10 000台。

5.2.2 “船易通”系列软件

“船易通”是为个人或集团用户提供位置与信息服务的一系列软件。涵盖了主流的桌面操作系统如Windows 系列，以及主流的移动平台如Android及iOS（见图4）。

图4 “船易通”软件

“船易通”利用移动通信网络和北斗卫星资源，向用户提供船舶短信互通、位置监控、航迹回放等功能。主要应用于海洋渔业安全生产、船位监控、增值信息发布等场景，为渔业管理部门、航运管理部门、渔业公司、船务公司、船东、岸上家属等用户提供基于位置的综合信息服务。

根据用户权限、功能及安装使用的设备载体，船易通系列软件有4种版本可供选择。

（1）集团版

船易通集团版软件基于北斗运营服务中心，通过因特网与北斗运营服务中心建立网络连接，向船易通用户提供船舶的位置监控、短信通讯、调位、航迹回放等功能。主要应用于海洋渔业安全生产位置监控，运输船舶位置监控等领域，为船舶管理部门、航运管理部门、渔业公司、船务公司等用户提供基于位置的综合信息服务。

（2）个人版

船易通个人版软件主要为渔民家属及其他轻量级用户提供基于位置的综合信息服务。与集团版相比，其功能、性能相对简单，使用成本也相对较低。

（3）畅聊版

船易通畅聊版是为智能手机提供北斗通信服务的版本，采用类似微信方式向海上的船载终端发送文字短消息。与个人版相比，畅聊版没有电子海图，主要提供船易通用户与船载终端之间的短信互发功能，使用成本更低，满足了仅有互通信息需求的用户要求。

（4）PC版

船易通PC 版可安装于Windows 操作系统，提供和集团版相同的功能。

5.3 船联网公共服务平台

公共服务平台是船联网的核心，以多种接入方式接入各种船舶，为各类客户提供服务，同时还作为各地营业网点的数据集中管理和控制中心，要求有较强的容灾备份能力，保障各类终端、平台用户、船易通用户的运营服务；可支持的营业网点在线并发服务数量为200个。

平台联入网络如图5所示，其构成了船联网统一通信平台。

图5 船联网平台联入网络示意图

通过给各类设备和网络制订基础通信标准，各种不同网络的设备可以互联互通，这是船联网的重要功能，也是物联网的典型特征，即把各种类型的传感器联结到一起，实现了对船的全面感知，实现物和物、物和人实时无缝互联。船联网克服了过去船舶管理手段单一，不同技术自成体系、无法互通互联的弊病。

例如，接入到船联网的船只之间能够完成之前无法想象的沟通方式，如海事卫星可以和北斗联通，北斗可以和AIS通信，等等。由此，船和船之间、船和中心之间，船联网用户和船之间有了丰富的联接手段，形成了船联网统一通信平台，为给类船联网应用奠定了基础。

5.4 应用示范项目

本文以某个地区的船联网渔业应用示范项目为例，该项目是把各类渔业船舶进行联网后，依托该网发展渔业经济的示范项目。

将全部渔船接入船联网，可以利用船联网将渔业生产者、渔船拥有者、渔产品经销商、利益相关者、政府管理者通过网络紧密联系起来，提升政府的管理水平、服务水平；促进渔业交易，降低成本，提高生产效率。是我国渔业信息化历史上首次在一个区域内全系统、全建制、全覆盖地应用信息技术，满足行业的具体需求。

另外，项目有两方面的重要创新，一方面是推广使用船易通软件，这种全新的船联网使用方式能够有效降低船联网的使用门槛，有很好的易用性，可提供一站式应用体验，有效拓宽了船联网在时间、空间上的应用强度；另一方面是推广北斗增强型接收机，其可以不通过北斗运营服务中心，而直接应用北斗系统的卫星链路，接收其辖属北斗终端所发送的位置报告、报警和短报文通信等各种信息，满足移动执法船的需求。物联网的一个重要问题就是如何更有效地提供面向各类用户人群的应用。通用的PC 终端使用复杂、携带不便，以智能手机为代表的智能终端的兴起让我们看到便携的、易用的智能终端产品对信息服务应用的巨大推动作用。因此，该项目为船联网乃至物联网的应用模式的探讨提供了典型案例，具有重要的意义。

该示范应用项目的系统架构如图6所示。

图6 某地区船联网渔业应用示范项目系统架构

6 典型应用案例

基于北斗卫星导航系统的船联网服务于平安渔业建设，同时也为处理海上突发事务提供了可行、可靠和必要的技术保障手段，尤其是在一些涉外事务的处理过程中更是发挥了重要作用，例如2014 年发生的一系列事件：马航MH370 失联、越南撤侨、保卫981钻井平台等。

6.1 支撑越南撤侨工作

2014 年5 月13 日起，越南多地发生打砸抢烧外国企业的严重暴力事件，造成中国公民伤亡和财产损失，破坏了中越交流与合作的气氛和条件。中方从17 号，启动组织包机和轮船接回在越中方人员。5月18日凌晨3时，北斗终端陆续安装在“五指山”、“铜鼓岭”、“白石岭”、“紫荆12”四艘轮船上。8 时50 分，“五指山”率先出发赶赴越南执行人员撤离任务。截至5 月19 日11 时50分，“五指山”轮等4 艘船舶先后抵达越南河静省永安港执行人员撤离任务。5 月20 日，载着3566名在越中企人员的“五指山”、“铜鼓岭”、“白石岭”、“紫荆十二”等四艘滚装客船陆续抵达海口港，北斗导航系统为此次撤侨任务提供通信技术保障，监控平台24 小时跟踪关注船舶动态，为确保撤离任务的顺利进行提供了安全保障。图7 为4艘客船在执行撤离任务的航迹回放汇总图。

6.2 支撑马航失联客机搜救工作

2014 年3 月8 日凌晨，载有239 名乘客（含154名中国人）的马航MH370航班在马来西亚和越南的雷达覆盖边界与空中交通管制失去联系。我国政府调集各方资源对失联客机进行全方位搜索。安装了北斗定位导航设备的中国海警3411 船是第一个赶到失联海域的国内公务船。北斗运营服务系统确保了海警3411 船连续搜救147 小时、航行1 527 海里、搜索海域7 821 平方公里的实时船位动态监控，圆满完成区域搜救任务。图8为中国海警3411船在执行搜救任务过程的航迹回放。

图7 越南撤侨任务航迹回放

图8 马航MH370搜救任务航迹回放

图9 所示为中国海警3411 船上安装的北斗相关的各类船感器。

图9 中国海警3411船上安装的船感器

6.3 981钻井平台守卫

2014年5月初，越南开始派船只干扰我981钻井平台的正常勘探、开采工作，中国政府紧急为海事巡逻船、渔船等护航船只安装北斗船载终端，基于北斗的船联网为管理部门跟踪钻井平台附近船舶动态提供技术手段，为捍卫我国领海安全做出了突出贡献。

图10所示为981钻井平台附近船舶态势。

图10 981钻井平台附近船舶态势

6.4 赛事支撑

北斗导航系统登陆帆船赛场，不仅满足了赛事组委会对赛事的监控和安保，同时还满足了观众的实时观赛需求。

北斗导航定位服务作为2014 环海南岛国际大帆船赛、2014 司南杯大帆船赛这两个赛事信息化服务的一大亮点，全面保障了赛事的顺利进行。除了为赛事组委会提供了帆船赛定制版的台站监控平台，满足组委会监管和裁判评判的需求外，更是利用移动互联网创新地加入了观众观赛平台，不能亲临赛场感受比赛的观众，足不出户即可通过赛事官网，手机浏览器和下载帆船赛APP随时关注各参赛船队的实时动态。图11 所示为参赛帆船上安装的船感器。

图11 帆船上安装的船感器

使用北斗导航定位服务对于帆船赛来说是首创，帆船赛不同于传统陆上运动，观众受场地限制，即使是身在赛场也不一定能掌握所有船队的动态。有了这个观众观赛平台，帆船赛的观众参与性大大提高。

图12所示为帆船赛船队实时动态监控画面。

图12 帆船赛船队实时动态监控

7 结语

船联网将物联网概念与技术引入到渔业安全生产领域，是一个全新的方向，具有一定的创造性和探索性。在物联网产业蓬勃发展的背景下，针对渔业信息化服务领域的现状与不足，结合政府、行业和公众的各层次需求，确定船联网的定位，并对需求的优先级有所排序。船联网是一个涉及多行业、多部门、跨地域的复杂项目，必然涉及到业务的整合、数据的协同、原有系统的升级和整合、技术的选择与使用，若缺少一个宏观的、正确的总体架构，各项工作很难无缝整合在一起。必须从业务、数据、应用和技术几个方面，开展船联网的总体架构研究。基于北斗导航系统的船联网开创了北斗在民用应用领域的新局面，整合和利用了包括卫星导航、Internet、移动互联网等多项先进技术，打破了各行业应用领域的信息孤岛，实现了资源的共享与融合，将物联网的应用水平提高到了一个新的境界和高度。

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