学术交流|北斗三号助力中国船联网转型升级

2021-03-17 11:16:59 秘书处 4

周儒欣1, 郭飚2, 范智鹏2, 张密1

1.  北京北斗星通导航技术股份有限公司  2.北斗星通信息服务有限公司

摘要

新一代“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”作为基于北斗三号、智慧海洋的新基建,融合了多项技术创新,是卫星互联网的重要组成,促进了军民融合,是北斗系统最为典型、最具规模的示范应用之一。农业农村部正在编制“十四五”规划,将加快推进生产现代化。系统有利于保供给、保增收、保小康,将为海洋强国、“一带一路”国际合作贡献力量。

关键词

北斗三号、 海洋渔业 、转型升级、 未来发展

一、引言

我国地处亚洲大陆东南部,海域面积辽阔。渔业作为农业重要构成,是沿海地区支柱产业之一。为构建“平安渔业”,北斗星通早在2002年通过实施863计划“北斗一号信息服务系统”,开创性将科技成果转化应用在海洋渔船上。2012年北斗二号系统面向亚太提供服务,北斗星通同期推出了第二代“北斗渔船船位监控系统”,构建了海天一体的通信网络,连接起人、船、港,强化对渔船监管工作的信息支撑。2020年,北斗三号系统建成并向全球提供服务,北斗星通将发布新一代“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”,将充分利用北斗三号提供全球短报文、国际搜救、提升区域短报文能力等方面的便利,建设彻底消除信息孤岛,实现大渔业范畴数据共享及深度利用的综合信息服务平台,助力我国渔业转型升级。

新一代“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”根据渔船作业的特点设计,兼顾远、中、近等各种作业船只,进行统一管理。不同的作业范围选用不同的通信方式,同时与原有的电台结合管理,大大提高了通信的可靠性和准确性,为渔业生产生活提供了保障,为和周边国家的渔业纠纷提供了证据。

二、工作原理及系统功能

1、工作原理

“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”主要由四大部分组成,分别为:北斗卫星及卫星地面站、渔业管理部门用户陆地监控台站、北斗星通北斗运营中心和北斗海洋渔业船载终端。上述四个组成的每一部分都有各自独立的功能,需要共同配合完成海上作业船舶的安全生产监控管。系统总体工作原理见图1。

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图1:“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”总体工作原理

2、技术线路

北斗星通针对我国东南沿海50海里以外的中远海渔船安装了北斗海上通信设备,为各渔业管理部门建立起了超过1300个船舶的船位监控系统,建成了海、天、地一体化的“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”,将多种技术手段(北斗卫星、AIS、90-C、雷达、CDMA、VHF、单边带)进行融合,构建列入分级管理、信息共享、多网合一的船舶集中监控管理体系初步形成。系统的海上通信设备配置分布图如图2所示。

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图2:“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”的海上通信设备配置分布图

3、系统方案

“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”整合移动通讯系统(4G/5G)、卫星通信(北斗三号)、地理信息(海陆融合GIS)、互联网等多种资源,以实现对渔船的动态监控、安全救助与信息服务。随着北斗三号建成,船载终端、运营服务中心也计划同时进行升级换代,增加对远洋渔船、近海渔船/养殖船的信息服务,扩充对中远海渔船的服务内容,全面对接国际搜救卫星,利用扩容后的区域短报文进行更广泛的数据采集传输,借助“IEC-61108-5”标准的发布提供商渔船交通预警服务。此外,随着5G时代的到来,新一代系统设计还将以数据为驱动,采用物联网、大数据、云计算等技术,对人、船、港、物数据进行汇聚分析,并针对不同用户与场景,提供渔业时空大数据分析展示能力,不仅面向行政管理机构,同时面向广大的渔业从业者及公众用户。新一代系统建成后的系统结构如下图3所示。

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图3:新一代“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”系统结构图

4、核心功能

(1)作为监管平台

①船位监控:基于北斗三号,由于北斗位置、通信服务范围扩大到全球,可向远洋渔船与商船提供服务;同时随着发射功率降低至3瓦,船载终端的供电和体积得到极大优化,可向我国沿海的大量近海渔船提供位置跟踪服务。

②救援辅助:北斗三号的新型船载终端推出后,将在信号层面直接对接国际搜救卫星,实现无国界,跨部门的紧急救助,从而显著提高安全救助能力,保障渔民生命财产安全。

③船岸通信:过渡到北斗三号之后,预计可将通信频度缩短至30秒每次,并提高单次通信容量至1000汉字(以上为估计数据,实际数据以官方公布数据为准)。北斗三号系统与移动通信系统的进一步融合,也将为船岸之间的沟通联络提供更直接和便捷的体验。

④执法管理:基于GIS、动态船位及电子围栏数据,为执法管理工作提供越界预警、伏季休渔管理、船员管理、执法船巡航管理等功能,并依托互联网面向执法人员提供渔港移动执法终端,满足各种场景下的执法管理需求。

⑤渔港监管:依托物联网、大数据、云计算建设智慧渔港综合信息可视化平台,提供船舶进出港管理、应急事件处置、船舶避险停泊、非接触式移动执法、渔港生态监测、渔获物上岸管理等多样化的业务功能,辅助渔业管理部门进行渔港监管与决策分析。

⑦军民融合:利用北斗系统自主、安全、可靠的优势,系统在军民融合方面可发挥重要作用,如民兵船管理、海上密文通信、舆情监测等场景。

渔船渔港动态监控管理平台是渔业监管服务的典型应用,如下图4所示。

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图4:渔船渔港动态监控管理平台界面图

(2)作为公众服务平台

可通过微信公众(服务)号、小程序、App等方式向渔民亲友群体提供船位追踪、私信联络、气象信息推送及政策法规宣传等功能。基于电子海图页面,提供亲友渔船的实时位置跟踪,并支持对渔船进行历史轨迹回放。具备岸上用户与船上用户的北斗短消息互通功能。提供灾难获知功能,岸上公众用户可第一时间获知渔船的报警状态。可对海洋气象信息进行推送,如用户关注海域24小时海洋预报、台风信息、潮汐信息或渔场气象信息等,支持在第一时间通知亲友渔船回港避险。此外,还可以推送航行通告、政策法规、新闻资讯等信息。

(3)作为综合信息服务平台

①电子捕捞日志管理:北斗三号提供服务后,可基于区域短报文及全球短报文服务搭建电子捕捞日志采集分析系统,适用于包括远洋渔船、中远海渔船、近海渔船在内的各类船舶,利用北斗卫星作为数据传输信道,实现捕捞日志的填写、上报与统计分析。

②限额捕捞管理:综合利用电子捕捞日志、船位监控、电子围栏等技术,实现专项渔捞品种的限额捕捞管理,实时对捕捞总量变化情况进行监控,针对非法作业渔船还能及时发布预警并取证留存。

③渔获物定点上岸及溯源管理:提供渔获物定点上岸管理功能,统筹渔船、渔运船和采购方系统,实现基于电子捕捞日志、运输日志、交易日志的数据核准系统,促进“依港管渔”目标的达成。系统还提供渔获物溯源管理功能,可利用北斗短报文实现从捕捞到餐桌的全程可追溯,追溯过程如下图5所示。

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图5:渔获物溯源管理流程图

④渔业电商信息服务:利用北斗短报文通信,渔业贸易双方可进行船岸间的信息共享和交易撮合,还能与渔获物上岸管理及电子捕捞日志管理功能结合,形成完整数据链条,共同为渔业电商贸易服务。

⑤气象预警信息发布:系统提供天气、台风、潮汛等海洋气象信息的数值预报服务,通过北斗短报文,可有效进行预警发布和渔船避险管理。

5、北斗运营服务中心

北斗星通建成的北斗运营服务中心其因特网采用中国网通、中国电信的高速双接入,使本系统地面和卫星链路全线达到了双路备份,极大地加强了系统通信的可靠性,提供24小时不间断运营服务,见下图6。

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图6:北斗星通北斗运营服务中心提供24小时不间断运营服务

北斗运营服务中心是处理北斗数据的中枢机构,由两个互为备份的基础数据中心和若干个行业中心组成。基础数据中心负责全行业北斗数据的接收、播发、交换及行业调度。行业数据中心则为系统提供行业基础数据管理服务。中心除可以直接提供船舶综合信息服务外,还可以基于行业交换标准,为各地海洋渔业的本地数据服务中心提供数据支撑和北斗短报文播发服务。通过以上设计,实现了基础与行业,行业与客户的多层级结构,同时对复杂的数据管理进行了解耦,提升了系统的可靠性、处理能力与可伸缩性,系统的逻辑结构如下图7所示。

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图7:多层级数据中心结构图

6、北斗船载终端

北斗船载终端拥有多个系列,采用模块化设计,由天线、显控(屏幕)、手写板及相关线缆组成,用户还可以选配北斗WIFI模块、海事卫星通信底座、身份识别模块、船员救生基站模块等,以针对不同场景使用。终端支持位置上报、北斗短报文、紧急报警、防拆卸报警、进出港报告等基础功能,且在发生沉船灾难后可触发天线弹射装置,继而持续24小时发送沉船报警,海上搜救力量则根据沉船报警所含的位置信息组织施救。目前支持北斗三号的新型船载终端已经在设计研发中,未来推出后可一键报警至国际搜救卫星,并提供更强大的北斗短报文功能,利用海上北斗WIFI模块,可外接多大20个智能设备进行电子捕捞日志、海洋环境信息等数据的透明上传。如下图8所示。

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图8:北斗海洋渔业船载终端

三、目前应用及产生效益

1、目前应用

截至目前北斗星通共发展北斗用户数量约7万个,伴随手机用户约20万个,在保障渔民生命财产安全、维护国家海洋渔业权益和促进渔业现代化管理等方面发挥了重要的作用,构建了中国最大的“北斗船联网”。

每年夏季台风,通过系统平台发布气象预警信息,指挥渔船回港避风,实时监控渔船回港情况。仅在南中国海建成的项目,近三年系统提供报位6亿次以上,北斗短信3千万条以上,发布调度指令、气象、海况信息1千万条以上。据不完全统计,指挥海上救助164起,救助渔船206艘,旅游船3艘,外国渔船4艘,伤病人员29人,渔民1480余人,挽回经济损失超过2亿元。

系统不仅能救助安装其终端设备的船舶,还可以辅助救援其他类型遇险船舶,如海钓船、商船及国外船舶等。如北部湾共同渔区沉没的越南渔船,通过系统查找附近5艘渔船发送信息前往相救,最后越南渔船成功获救。我国渔船在黄岩岛潟湖内正常作业被菲律宾军舰干扰,中国渔政渔监船编队赶往事发地海域维权,对我渔船和渔民实施现场保护。越南渔船跨境作业,通过系统派遣中国渔政船到达该海域将越界生产的越南渔船驱离。近年在南海处理涉外事件30余起,成功避免36艘渔船被抓扣,驱离越界捕捞外国渔船860余艘。

在越南撤侨事件中,北斗终端陆续安装四艘轮船上。在撤离任务进行的3天中,北斗星通增派值班力量投入通信技术保障工作,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。3566名在越中企人员乘坐四艘滚装客船陆续抵达海口港。中华人民共和国海南海事局特此发来感谢信,见下图9。

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图9:中华人民共和国海南海事局感谢信

在马航失联客机搜救中,北斗星通第一时间投入通信技术保障工作,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。全力确保了海警3411船连续搜救147小时、航行1527海里、搜索海域7821平方公里的实时船位动态监控,圆满完成区域搜救任务。中国海警指挥中心特此发来感谢信,见下图10。

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图10:中国海警指挥中心感谢信

“北斗船联网”已成为海上搜救工作的“利器”。系统对遇险对象的搜寻效率提高30%以上;人命救助成功率达到98%以上;节约近1.5亿元的人身伤害赔偿费,海上碰撞事故发生率下降约90%。系统充分利用北斗链路,进行危险水域告警、台风预警等服务,渔船及时规避风险,为涉海企业和人员减少数十亿元的遇险财产损失。

2013年4月8日,习近平总书记视察海南省琼海市潭门镇参观了北斗渔业系统,总书记登上了琼琼海09045号渔船。在得知船上的北斗导航终端为渔民提供位置服务、通信功能有助于安全生产时,总书记连连点头表示称赞。

2、产生效益

(1) 保障渔民生命财产安全

系统显著的海上救助功能,深受渔民认可,被渔民兄弟形象的比喻为“海上的保护神”,称之为“千里眼”和“顺风耳”。

(2) 有利于维护国家海洋权益

中国渔政肩负着管理我国南沙、北部湾,中朝、中韩、中日交界海域作业的渔船的任务、负有维护我国海洋权益重大责任。系统在维护我国南沙主权权益,处理涉朝、韩水域渔船越界捕捞事件中都发挥了重要作用。

(3) 促进渔业现代化信息化管理

系统为各级渔业主管部门加强对出海渔船的规范化管理提供了科技手段。一是及时阻止渔船在伏休期非法从事捕捞生产、或在台风时期冒险出海生产,也使渔船防台避灾能力有新的提高。二是使陆地和海上的信息传递、通信联络更加便捷,有利于主管部门指导海上渔业生产。

(4) 提高海洋渔业信息化水平,推动海洋经济上新台阶

利用北斗短报文通信功能,使海上与陆上通信联系渠道变得十分通畅、便捷。可获得天气、海浪、赤潮、鱼汛、渔市价格等增值信息,促进海洋渔业生产和交易的集团化和规模化发展。

四、发展前景及未来展望

1、发展前景

(1) 国家大力支持渔业科技现代化装备

国家将构建一批新型系统模式,研发一批先进设施装备,有效提升渔业装备精准化、信息化水平。构建深远海“养-捕-加”相结合、“海-岛-陆”相结合的渔业生产模式,形成规模化、工业化的深蓝渔业生产体系,为渔业转型升级、调整产业结构、可持续发展提供有力的技术支撑。

(2) 各类船舶特别是近海渔船导航需求旺盛

目前,北斗船联网已为中远海渔船、执法船、工程船、运输船、游艇、大帆船等各类船舶提供了运营管理服务。随着北斗三号提供全球服务,未来市场除扩展至远洋渔船及国际商船领域外,北斗三号高精度定位导航服务也将在近海渔船、智慧渔港服务等领域大显身手。

(3) 加大力度支持北斗卫星导航系统在海洋渔业应用

渔业船舶导航、渔业生产信息服务、渔业船舶管理、渔业船舶安全救助、渔业资源研究、渔业水域环境监测、渔场环境及生态综合信息的采集与传输等环节都需要卫星技术的支持,建议加大基于北斗三号海洋渔业的支持力度。加大对北斗三号终端设备的推广、技术融合创新、系统开发升级扩容,并支持研发自主芯片化产品,服务渔业市场。

2、未来展望

北斗星通自主研制开发了系列北斗船载终端产品,可服务于行业监管、科学研究、海上文体及涉渔公众,随着北斗三号全球覆盖及国家“一带一路”战略推进,将助力新一代“北斗卫星海洋渔业综合信息服务系统”转型升级,成为“国家名片”,将在更大领域发挥其更多更好的效能。

北斗星通2000年9月伴随我国第一颗北斗卫星发射而创建,始终秉持“共同的北斗,共同的梦想”理念,20年发展历程紧扣北斗系统“三步走”战略。面向未来,北斗星通“云+IC/端”将实现国产自主北斗“芯”产品面向智能网联及大众应用;构建新型“云”平台,提供北斗三号新兴高精度应用服务;智能网联业务将实现北斗与先进技术和应用场景融合,以北斗核心芯片及关键技术为核心基础承载,与智能网联、生物识别、5G通信、大数据、云服务等先进技术融合,形成北斗+智能网联及云服务平台的规模化产业生态。

后记

2020年我国北斗三号系统建成并向全球提供服务,9月25日,时值中国卫星导航定位协会成立25周年、北斗星通成立20周年。在这具有里程碑意义的历史时点,谨撰此文感谢中位协一直以来大力支持北斗星通自主创新、推进北斗产业化发展取得了重要成果!


参考文献

《100个见证改革开放30年“科技新第一”》《科技日报》2008年12月19日

《国家卫星导航产业中长期发展规划》国务院办公厅2013年9月发布

《北斗梦——北斗星通十五年》郭宇宽 著 孙家栋 序一 叶正大 序二 周儒欣 跋  2015年出版

《北斗卫星导航系统应用汇编》李如梦 著 周儒欣 序 2015年出版

《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中位协2020年5月发布

《2019中国渔业统计年鉴》农业农村部渔业渔政管理局编制

《2019年渔业经济形势分析及展望报告》