北斗卫星导航系统在海洋渔业生产中的应用

孙 蕊， 林 华， 谢 非

(1南京航空航天大学民航学院，江苏 南京，211106；2浙江中裕通信技术有限公司，浙江 舟山，316000；3南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京，2100042)

北斗卫星导航系统在海洋渔业生产中的应用

孙 蕊1， 林 华2， 谢 非3

(1南京航空航天大学民航学院，江苏 南京，211106；2浙江中裕通信技术有限公司，浙江 舟山，316000；3南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京，2100042)

人类对海洋的过度开发导致海洋渔业产量日益下降，现代化渔业采用先进有效的技术对保持渔业资源的可持续发展具有非常重要的作用。本文阐释了中国当前在渔业生产发展中的问题，指出了在渔业现代化进程中应用北斗卫星导航系统的必要性。通过总结现有国内外相关研究文献，分析了我国渔业生产发展中的三个主要问题，介绍了北斗卫星导航系统的优势和不足，并在此基础上针对北斗卫星导航在渔船安全生产保障系统、渔业生产服务系统以及渔业生产监测管理系统中的作用展开论述，实际应用表明北斗卫星导航系统以其高精度、低成本、全天时、全天候、同时具备短报文通信功能等特点，在现代海洋渔业生产应用中有着不可替代的优势。

北斗卫星导航系统；海洋渔业生产；船联网

我国渔业经济持续较快增长，水产品产量由2012年的5 907万t增长到2016年的6 901万t，增长16.82%；同时加快了“走出去”的步伐，远洋渔业产业规模进入世界前列，远洋渔船总数达2 571艘，总产量约200万t，作业海域也得到了很大的扩展[1]。随着渔业经济的高速发展、产业规模的不断扩大，一些矛盾和问题也逐渐突显出来，救援体系的不完善导致船只遇险无法得到及时救助，渔业智能化水平较低使得渔业生产效率低下，以及由于疏于渔船生产监管和对渔业资源的监测，导致渔业资源遭到破坏，渔业发展空间不断萎缩。这一系列问题归根结底是由于渔业信息化建设水平不足。渔业信息化建设是运用现代信息技术，深入开发和利用渔业信息资源，全面提高渔业综合生产力和经营管理效率的过程，在这一过程中，北斗卫星导航系统(简称北斗系统)以其集定位、双向短报文通信和授时服务为一身的独特优势在渔业生产中起着不可替代的作用。

1 渔业生产发展存在问题及研究现状

1.1 渔业生产安全问题严峻

由于海洋环境的复杂性和不确定性，导致渔业成为高危险产业，中国2016年沉船数目达1 987艘，经济损失达到0.46亿元，死亡、失踪和重伤人数高达165人[2]。渔业事故频发一方面由于渔业救援体系不完善导致渔船遇险情时救助不及时，另一方面由于缺乏有效通讯手段，渔船位置信息不明确且应急处置能力不足。渔业安全保障体系急需加强，以实现安全渔业的目标。针对渔业生产安全问题，国内外学者做了许多研究。Rezaee等[3-4]研究了极端环境因素与捕捞事故率和事故严重程度之间的关系，并指出环境条件对各种渔业类型的影响具有差异性。姚杰等[5]综合考虑渔船和渔民安全,运用模糊集理论建立了渔业安全综合评价模型,并证明了该模型的合理性和实用性。王峥等[6]运用灰色系统理论、多元线性回归等理论模型，对事故引发原因、整改措施、事故预防长效机制建设进行了分析研究。以上研究对影响渔业安全的因素进行了分析，为提升海洋渔业安全生产水平提供了参考。Kao等[7]利用模糊逻辑控制方法和海洋地理信息系统创建了一套渔船避撞安全防护模型，该模型可以避免由于履带流和螺旋桨流而造成的渔船碰撞，减小事故发生率。孙庚等[8]将卫星定位技术、地理信息系统(GIS)与通信技术相结合,设计了渔业船舶安全救助信息管理平台，给海洋渔业船舶生产安全、综合管理和应急救援提供了很好的帮助。魏延亮等[9]提出基于 GIS 技术、全球定位系统(GPS)及计算机通信技术来建设海洋渔业应急救援系统的方法，实现对所有船只、整个海域、作业过程的无缝实时监控和信息化管理。江苏省海洋环境监测预报中心依托GIS 平台，综合利用渔船动态定位技术、海洋预警报技术、计算机网络和数据库技术，建设了江苏省海洋渔业生产安全环境保障服务系统，为从事交通运输和渔业生产的人员提供海洋环境预报和极端灾害天气预警服务，并为相关政府部门提供辅助决策，从而有效减轻海洋渔业生产过程中的经济损失和人员伤亡[10]。何伟等11基于北斗通信和定位技术的渔业生产安全远程管理系统，使用船联网远程监控渔船、渔网、船员、气象、搜救设施等渔业生产安全要素的实时状态，以提高渔船的安全生产水平，并在实际生产中取得了良好的效果。从上述研究中可以看出，在渔业生产中结合使用通信、卫星定位和GIS等技术，可以有效提高安全水平。

1.2 渔业生产效率有待提高

有效提高渔业生产效率十分必要。挪威的NANSEN 环境和遥感中心在亚德里亚海布设了渔业观测系统网络，并结合海洋环流模型和数据同化系统，分析渔业观测系统网中的不同的传感器组合对海洋环境、渔业资源等的检测，以及其随季节变化的影响,用来优化捕捞效率[12]。澳大利亚联邦科学与工业研究组织与霍巴特的CSIRO实验室在塔斯马尼亚海洋建立鱼群观测系统，利用卫星反演的海温分布来绘制鱼群的可能位置，同时迅速向渔民提供来自卫星的图像，大大减小塔斯马尼亚渔业捕捞的成本效益[13]。印度也设立了渔区预测系统，结合了IRS-P4海洋颜色传感器的卫星数据与海温数据，分析潜在渔区位置，为渔民缩短了70%的渔区搜索时间，增加了单位作业的捕获量[14]。美国NOA-NMFS东南渔业科学中心在墨西哥湾开发渔业资源预测模型，将数字卫星图像与卫星衍生渔产品直接送至船只计算机终端中，生成鱼类预测模型概率图表，帮助渔民提高搜索效率[15]。同时，美国国家航空航天局与美国国家海洋和大气管理局为渔业船队提供环境分析，通过无线电传真，语音广播，电视广播，国家广播电台，国际海事卫星等平台，大力推广来自卫星海洋数据的渔业援助服务产品，扩大渔业交易规模与交易途径[16]。

1.3 海洋渔业可持续性遭到破环

加强对渔船的监督和管理以及对渔业资源的监控监测对渔业可持续性发展有着重要作用。目前，基于卫星定位的船舶监控系统(VMS)在全球范围内正逐步被广泛应用于渔业监管中[17-19]，并且有效提高了非法捕捞、非报告捕捞以及无节制捕捞等行为的监测效果[20]。中国台湾海洋事务研究院公布了船舶监控系统在对台湾渔业管理的可持续发展方面的工作，主要包括在对非法金枪鱼垂钓船舶的监管中取得的发展和成效[21]。印度尼西亚当局从2013年开始对近海超过30GT的渔船装备监控系统[22]，该系统通过卫星通讯(Argos,Inmarsat,Iridium,and Garuda-1)系统获取船舶的信息，并用于在船舶监控管理和渔业种群生态研究[23]，其中包括，对金枪鱼群迁徙的围网管理以及捕捞行为的监控[24,25]。

根据上述分析，可以发现GPS作为船舶监控系统的核心部件，在保障渔业生产安全、提高渔业生产效率以及渔业资源的保护管理等方面都发挥了重要作用[26-28]。

2 北斗导航系统

2.1 北斗系统简介

北斗系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。近期，我国已经发射了两颗北斗三号卫星，标志着北斗系统已经正式进入全球组网阶段[29]。北斗系统的主要特点：一是空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显；二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用的方式提高服务精度；三是创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。北斗系统目前运行状态良好，在通信、交通运输和国家安全等领域发挥着关键作用[30]。

2.2 北斗系统与GPS优劣对比分析

GPS导航系统是世界上首个投入使用的卫星导航系统，GPS系统由美国军方控制。北斗系统完全由我国自主研发，对其拥有绝对的使用权和控制权，在安全性上优势突出[31]。在卫星高度角较小时，北斗系统对船舶定位的精度优于GPS，使北斗系统在航海方面具有独特优势[32]。北斗终端的短报文通信方式也使该系统在沙漠、海洋等无通信和网络覆盖的地方进行紧急通信[33]。在定位服务方面，GPS 只提供有源定位服务，北斗二代有源定位与无源定位结合的方式，使系统在卫星可见性极差的紧急情况下仍正常运行[34]。当然，北斗导航系统仍有不足之处：GPS定位系统在全球建立监控站，而北斗系统地面监控部分主要建立在中国境内，使系统实时性及监控数据质量有所不足。美国GPS系统，起步时间早，技术成熟，在民用市场上具有先发优势，导致北斗系统市场占有率不高，应用困难。

3 北斗系统在渔业中的应用

3.1 概述

海洋渔业现已成为北斗民用规模最大的行业，这是因为它不仅关系到渔民生命安全，更关系到国家海洋经济安全、国家海洋资源保护和海上主权维护。北斗系统的主要功能为导航和双向通信，在海洋渔业中的推广使用具有重要战略意义。在中远海渔业领域，北斗系统不仅可以代替GPS系统提供导航定位服务，而且可以取代海事通信卫星提供价格更低的通信服务，这体现了北斗系统的独特优势。北斗系统最主要的特色在于它不仅能为用户提供定位服务，还具有通信功能。在远洋渔业安全生产保障服务领域中，将数据通信功能与定位导航功能相互结合是非常重要的，因此，北斗系统在该领域中能发挥很大的作用[35]。

3.2 基于北斗系统的渔船安全生产保障系统

3.2.1 渔船船位监控系统

如图1所示，渔船船位监控系统分为船载卫星终端、卫星链路及地面站、监测指挥中心及渔船船位监测系统网站[36]。其中，船载卫星终端获取船舶航行状态数据，经过卫星链路和地面站传送到监测指挥中心去;监测指挥中心可以保存并处理卫星传来的数据。此外，渔船船位监测系统网站具有丰富的图形操作界面，使得企业和各级行政部门能够便捷地获取渔船的动态信息。该系统覆盖范围广、全天候工作、可靠性高。

图1 渔船船位监控系统示意图

渔船船位监控系统使渔业管理部门获得了供渔船船位监控、紧急救援指挥等管理手段，此外还提供了渔业政策发布、海上台风通告等功能。在通信方面，该系统可以为渔业生产作业者提供自主导航、遇险求救等安全生产服务，同时可以实现船与船之间、船与管理部门之间的双向消息互通，以此降低碰撞事故的发生率,并在船舶遭遇险情时进行及时、有效的救援；能够改善和提升渔业部门应急组织、指挥、协调能力,提高海上搜救的效率和成功率。

3.2.2 AIS船舶救生用定位装置

船舶自动识别系统(AIS)作为海陆通信的重要工具被广泛使用，正逐步变为海上信息交换的关键手段(图2)。

图2 基于北斗系统的AIS系统结构

船舶自动识别系统可发送船舶自身信息，包括位置信息和其他信息[37]，来实现相近的船舶提醒及距离警示，是船舶防撞的新方法。基于北斗系统的渔船AIS系统，以AIS标准为基础，采用北斗卫星接收模块为定位源，并装备了北斗短报文通信模块，实现短报文通信服务。

3.3 基于北斗系统的渔业生产服务系统

3.3.1 智能捕捞系统

智能捕捞系统具有专家性、整体性、时间性以及空间性，能从与各种信息网络对接上获取大量的有关资料，可帮助人们认识和解决在海洋捕捞中遇到的各种问题，并做出决策和预测。目前基于北斗系统的定位数据在渔船捕捞信息方面的研究尚属于初期阶段[38-39]。通过对北斗系统船位数据的分析，判断出渔船的航速、航向，从而对渔船处于捕捞的时间段进行分析，计算在某个区域累计捕捞时间，然后结合渔船功率可计算拖网捕捞努力量，通过拖网里程可计算扫海面积。最终统计出每艘渔船捕捞的时间、区域、捕捞量等指标，评估渔船的作业状态，从而计算船舶的燃油补贴等有关指标。

3.3.2 渔业交易服务系统

渔业交易信息服务系统由船载北斗系统、北斗地面运营中心、连通因特网的网络设备和渔业交易信息服务中心等构成[40]。在使用多种网络通信手段的同时使用北斗短报文通信，可使渔民们实时发布供货信息，也可使渔业交易信息服务中心便捷地收集、整理、更新、保存、搜索和推荐渔业交易信息。购买者能够及时了解渔业供货和价格信息，可以采用预定、线下或线上支付等方式进行交易，大大提高了渔业交易市场的运作效率。卫星通信导航技术提供的全方位通讯服务使渔民能够实时获得鱼汛、市场价格和天气情况，并将渔获信息快速发布出去，使得渔业生产更为高效，交易风险大大减少，同时也使渔民获得更高的收入。另一方面使得渔业经营者可以尽快获得市场信息，在缩短交易时间的同时也减少了交易成本。

3.4 基于导航信息船联网的渔业监测和管理系统

北斗系统为各渔业主管部门加强对渔船的规划化管理提供了有效的科技手段，能及时阻止渔船在伏休期从事非法捕捞生产。通过分析导航数据中渔船位置信息与专属经济区、渔业协定区、许可捕捞区的位置之间关系，判断渔船是否在捕捞许可证规定的范围以外海域捕捞，同时也可以通过时间和位置信息来判断渔船是否在休渔区进行非法捕捞。渔业主管部门还可以通过北斗系统及时向海上渔船发送海况和政策法规，指导和培训海上渔业生产，有效规范捕捞行为。

基于北斗系统的船联网总体架构分为四层：应用层，数据层，传输层，感知层(表1)[41]。

表1 船联网的总体架构

在信息感知层，通过建立渔船船联网来监控人员、渔船和渔网的状态，通过AIS系统建立船联网与周围商船的相互联接。船联网的建设需要依靠基于北斗系统的渔船AIS、人员定位器和渔网定位器。数据层可实现数据的存储和管理，根据采集要求，事先制定好数据库存储格式，主要包括渔船、人员、渔网、商船和气象数据。数据传输层用于数据通信，渔船系统采集到的数据可通过网络等传到上一级数据库中保存或调用。应用层将采集到的数据投入到不同的实际应用中去。

船联网通过通信设备在计算机系统与船舶之间传递信息，能够实现多船协同感知和控制。现在，智能船联网主要依靠移动通信网络、AIS基站和地面网络以及北斗系统、海事卫星。移动通信网络需要地面基站进行通信，适合在沿海地区使用。未来船联网通信将随着通信技术的更新而持续推进，逐步形成海上互联网。

3.5 北斗系统在渔业发展中的主要问题

北斗系统在渔业现代化中有不可替代的作用，但仍存在一些问题，首先是芯片成本过高，这也是现阶段北斗系统与其他卫星导航定位系统相比存在的最大缺陷。其次是北斗系统的覆盖范围有限。目前北斗系统处于从区域导航系统向全球导航定位系统转变的阶段，但全球化趋势需要北斗系统进一步提高在全球范围的定位导航精度，一方面加强远洋渔业安全保障，另一方面促进北斗系统在航海领域的国际化、产业化，以实现北斗系统进一步在国际海事领域的全方位应用。三是北斗系统在渔业航海方面的应用仍不够。卫星导航是国家战略性新兴产业，也是朝阳产业，因此应该继续加大北斗系统应用推广和产业化力度，加速技术应用和产品研发，使北斗系统更好地服务于渔民。

4 展望

北斗系统作为船舶监视管理系统的重要核心部件，可有效提高船舶监视系统性能。通过北斗系统测量船舶时间、位置、速度信息，并整合入船舶监视管理系统，不仅能在渔业安全保障方面提供实时精准的定位服务，提高船舶监管系统性能，而且有益于近海渔船在航海日志的精确修复，捕捞努力量、单位捕捞努力量、渔获量等指标的精准估计。当地政府以及有关部门也可以因此实现区域有效监控、船舶运营模式监管、监督巡逻管理和渔船安全管理。北斗系统在渔业领域的应用，使海洋和陆地的沟通更加密切，将海上渔业信息资源进行有效整合，能提高海洋生产安全水平，加速渔业信息化进程，推进海洋经济和谐发展和海洋渔业的智慧发展。随着北斗卫星导航通信技术的不断发展，该技术在渔业生产与安全方面的需求日益显露，应用发展前景十分广阔。

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TheapplicationofBeiDounavigationsysteminthemarinefisheryproduction

SUNRui1，LINHua2，XIEFei3

(1CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,211106,China;2ZhejiangZhongyuCommnucationCo.,Ltd.,Zhoushan,316000,China;3CollegeofAutomation,NanjingNormalUniversity,Nanjing,210023,China)

The marine fishery yield has been declining around the world mainly due to overfishing. The sustainable development of fishery resources requires effective techniques in the modernized fishery industry. The current existing issues in China’s marine fishery production and the necessity to apply BeiDou navigation system in the fishery modernization were elaborated in this paper. With a summary of the domestic and foreign correlation research literature,the three issues in the modernized fishery industry were analyzed,and the advantages and disadvantages of BeiDou navigation system were presented,on the basis of which the functions of BeiDou navigation system in the vessel safety system,Fishery production service system and the surveillance patrols and monitoring system were discussed. The practical application showed that BeiDou navigation system,with high precision,low cost,all-weather,all-time,short-message communications function and other special features,plays an irreplaceable role in the modern marine fishery production.

BeiDou navigation system;fishery modernization;vessel network

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.016

2017-11-10

国家自然科学基金(41704022,61601228)；江苏省自然科学基金(BK20170780,BK20161021)；中央高校基本科研业务费专项资金(NS2017043)；江苏省高校自然科学基金(15KJB510016)

孙蕊(1984—)，女，博士，讲师，研究方向：卫星导航及其应用。E-mail：rui.sun@nuaa.edu.cn

S9

A

1007-9580(2017)06-094-07