北斗卫星导航系统在人工鱼礁中应用的探索

姜少杰,吴伟

(上海海洋大学工程学院,上海 201306)



北斗卫星导航系统在人工鱼礁中应用的探索

姜少杰,吴伟

(上海海洋大学工程学院,上海 201306)

由于过度捕捞和环境污染,全球渔业资源持续下降,许多天然渔场遭到严重破坏,目前以人工鱼礁为主要修复手段的海洋牧场建设在世界各沿海国家得到迅猛发展,并且取得了良好的效果。简单介绍了北斗卫星导航系统的基本组成和它的优点,并从卫星定位和数据实时传输在人工鱼礁的投放、鱼礁的监测及鱼礁集鱼效果监测的应用上进行了探讨,概括了北斗系统在该领域的应用价值和发展前景。

人工鱼礁;北斗卫星;定位;集鱼;检测

0 引 言

随着社会经济的不断发展和环境污染的日益严重,海洋生态环境尤其是近海的生态环境逐渐恶化,再加上人们的过度捕捞,导致全球渔业资源持续下降,许多天然渔场遭到严重破坏,因此修复海洋生态环境和增殖渔业资源迫在眉睫。人工鱼礁的设置可以改善海洋生态环境,能够使水生生物聚集,提供生长所需的饵料,躲避其他生物的捕食,为生物的繁衍和栖息予以安全的场所,达到保护生态环境、增殖渔业资源的目的[1]。换句话而言,人工鱼礁利于海洋生物聚集、索饵、栖息[2]。目前,世界各国包括美洲国家、一些亚洲国家以及欧盟等都开始采用人工鱼礁,来改善海洋生态环境和增殖鱼类资源,修复生物栖息地,提高渔业资源的状况,并取得了显著的效果。

人工鱼礁的建设过程是一个复杂的系统工程,包括礁体的设计与制造,礁址的选择,人工鱼礁的投放,以及后期人工鱼礁的维护与管理,人工鱼礁的集鱼效果等[3-4]。其中,人工鱼礁的投放是人工鱼礁建设过程的重要环节之一,投放结果的优劣影响着人工鱼礁功能的实现效果。目前,人工鱼礁的投放往往是根据目测或以往的经验,在投放过程中受到海况条件,以及投礁技术等因素的影响,实际投放的位置与提前设计的位置有很大的偏差,这就造成了鱼礁不能很好的发挥它的功能。而且人工鱼礁的集鱼效果也是人工鱼礁建设工程的重要环节之一,它是评价人工鱼礁设计是否合理的一个重要因素,现阶段,我国都是通过潜水员潜到礁区拍摄的图像和视频来分析人工鱼礁的聚鱼效果,既受到了季节和温度的限制,又浪费了人力和物力。北斗卫星导航系统所具备的高精度定位和数据通信功能这两个优势可以很好的解决以上所介绍的两个问题,通过地面站不仅可以轻松获得监测的数据,而且可以对鱼礁周围的礁区进行实时的监测。北斗卫星导航系统是中国自己发展、在世界上独自运行、并与世界其他国家卫星导航系统兼容共享的全球卫星导航定位系统[5]。因此,本文利用北斗卫星导航系统高精度定位、具有通信功能的特点应用于人工鱼礁投放和后期的监测中。

1 北斗卫星导航系统

当今世界主要有四大卫星导航系统,它们分别是中国的北斗卫星导航系统(BDS),美国的全球卫星定位系统(GPS),俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)以及欧洲的伽利略系统(GALILEO)。

其中,北斗卫星导航系统是我国自主研发的,独立运行的全球卫星导航系统,整个系统主要由空间站、地面站和客户端组成。

与其它的系统相比,北斗系统具有以下优点:

1) 同时具备定位和通信双重的功能,无需其他通讯设备支持[6]。定位是由太空的导航通讯卫星,地面控制中心和用户端这三部分组成,定位精度高,三维定位精度约20 m,授时精度约100 ns,可以提供100 ns(单向授时)和20 ns(双向授时)的时间同步精度,覆盖范围广,没有盲区。因此,在远海海域内,我们可以利用北斗的高精度定位的功能来投放人工鱼礁,使人工鱼礁能够准确的投放在我们提前设计好的位置,能够有效的发挥它的功能,而且我们可通过卫星定位对鱼礁的丢失和淹没进行实时监测。北斗通信功能是提供短报文通信,依托北斗用户机可以实现双向通讯,无需其它通信系统支持,而GPS、GLONASS只能定位。利用北斗的通讯功能,我们通过地面站不仅可以轻松获得监测的数据,而且可以对鱼礁周围的礁区进行实时的监测。

2) 数据通信实时性强。数据传输快捷,一次数据的发送时间约为1s,接收终端在几秒内就可以接收到发送端传输的数据,实时性比较强[7-8]。

3) 安全性能高,稳定,可靠,保密性强。北斗卫星导航系统是我国自主知识产权的卫星导航系统,使用不受外国势力的影响,适合相关部门使用。

2 北斗系统在人工鱼礁中应用的探索

随着卫星导航技术的不断发展,北斗系统现在已广泛应用于各种领域,如为船舶、汽车、飞机等物体进行定位导航;为电力、邮电、通讯等网络提供时间同步;另外由于北斗系统的精确授时和长距离短消息传输的特性,北斗系统在海洋工程数据传输方面中扮演着非常重要的角色。在海洋工程中,海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施,而人工鱼礁是鱼类生长、繁殖、索饵和栖息的重要场所,投放在海底。海洋浮标与人工鱼礁礁体结合在一起构成一种新型的人工鱼礁,其结构示意图如下图1所示,鱼礁礁体相当于浮标的锚,投放在海底。由水下摄像头采集的图像和多参数水质传感器采集的数据一起打包,通过北斗卫星发送到岸上指挥中心,便于对人工鱼礁礁区进行实时的监测。

人工鱼礁是鱼类生长、繁殖、索饵和栖息的重要场所,起到改善海洋生态环境的重要作用,但所设计的鱼礁的能否达到预定的效果是问题的关键。目前,鱼礁涉及到的几个关键性问题是鱼礁礁址的选择、鱼礁的投放、鱼礁的监测、鱼礁的集鱼效果。但随着北斗系统由区域服务向全球拓展的逐渐转变,以及北斗地基建设的日益完善,北斗系统的高精度定位、全天候、全天时、短报文通信等特点更加突出,促进了北斗系统的行业化和产业化应用。利用北斗系统的定位、数据的实时传输对鱼礁以上的几个问题进行实时有效的监测以达到鱼礁能合理有效的应用于海洋中从而达到改善海洋生态环境的目的。

2.1 在鱼礁投放中的应用

鱼礁是海底鱼儿的生长、繁殖、栖息的场所,而鱼礁的正确投放是保证鱼儿能很好的生长、繁殖、聚集,人工鱼礁能否发挥它的作用主要取决于它的投放位置,投放不合理不仅不能实现其最初的目标,浪费财力和物力, 而且还会使得海底生态环境遭到破坏。为了避免上述问题,把北斗卫星定位系统应用到鱼礁的投放过程中。根据海洋与渔业局制定的《广东省人工鱼礁建设技术规范》第3、4、14条[9]:鱼礁的投放点允许的位置偏差如下:混凝土予制构件及其它边长小于10 m的礁体:5 m;废旧船舶及其它边长大于10 m的礁体:10 m.

因此,利用卫星导航仪定位的位置进行准确投礁,使人工鱼礁能够有效的发挥其功能。目前设计的混凝土予制构件边长3～4 m,卫星导航仪处于良好接受状态,一般误差小于5 m;精确定位误差小于3 m.

2.2 在鱼礁监测中的应用

人工鱼礁作为渔业资源管理的一个工具是非常有效的,而对它们本身的管理也是非常重要的。首先,要做好人工鱼礁投放前的监测工作。人工鱼礁投放前需要检测所要投放的区域、区域的海域天气和水文状况、海底物质的变化情况等等;其次,人工鱼礁建成后,根据人工鱼礁的类型和形状来确定合适且有效的捕捞作业方法。其中,有的作业方式对渔业资源和生态环境破坏比较严重,如用药毒鱼、炸鱼等这些方式都应严格禁止。最后,人工鱼礁在海水流动和波浪的作用下,水流对鱼礁有很大的冲击力,可能造成鱼礁的滑移、丢失,在水流的作用下可能导致海沙对鱼礁的淹没,这就使得鱼礁发挥不出增殖鱼类和浮游动植物等水生生物的效果,而导致不能对海洋生态环境起到改善的作用。

基于北斗卫星系统的远程监测和无线传输的功能,可以在投放鱼礁后对海洋环境、天气、水质、渔业资源种类以及底质变化情况进行实时监测,以将各种情况传输到岸上接收站做到对鱼礁进行实时维护;利用水下拍摄装置和海洋浮标上的北斗终端设备通过北斗卫星将海底鱼类的情况传输到岸上接收站,以准确做出该处海域是否能进行捕捞以及确定捕捞方式,鱼礁监测系统具体示意图如图2所示。目前,是急需解决的问题,北斗卫星系统可以对海底的鱼礁进行实时的远程监测解决了海底鱼礁的丢失和淹没。

图2 人工鱼礁监测系统示意图

2.3 在集鱼效果监测中的应用

北斗卫星导航系统由于其精确的定时和短消息远程传输的功能,在海上工程数据传输中起到了非常关键的作用。

鱼礁是鱼类生长、繁殖、索饵和栖息的场所,集鱼效果是评价人工鱼礁设计是否合理的重要指标之一,因此鱼礁的投放能否达到集鱼的作用是鱼礁工程中一个关键性的问题,而在此问题中可以利用北斗系统对鱼礁的集鱼情况进行实时的监测,以使工作人员做出准确的判断采取相应的措施来解决问题。可以通过分离式卫星来定位游动的鱼类,从而对鱼类进行跟踪和记录,这种方法叫做分离式卫星定位标记法。它是由一个耐侵蚀的分离装备、一只精简的携带天线的流线型环氧羟基树脂耐压壳、一只能在标记摆脱鱼体时使天线竖直的浮圈组成。且与其内部相连的有一只微型的处理器,它还可以记录多达61天的平均水温(每小时抽样记录)[10]。水下拍摄装置也对鱼进行监测,它主要是针对水下鱼群的生长、运动、种类以及集鱼情况进行拍摄,从而做到实时对人工鱼礁的集鱼效果进行监测。水下的多参数水质传感器可以对海水的温度、盐度、PH值、浑浊度、溶氧度等参数进行检测,来分析鱼礁区域的水质变化。分离式卫星的数据、水下拍摄装置的数据和多参数水质传感器采集的数据传输到海洋浮标上的北斗终端设备,然后再通过北斗卫星组把这些数据发送给地面控制中心,地面控制中心对这些数据进行存储、整理并打包,同时把反馈信息通过通信设备发送到岸上指挥中心。岸上指挥中心对这些数据进行解码、识别和预处理,并存入指挥中心数据库中,便于管理者或相关部门提取。因此,可以通过北斗卫星导航系统对人工鱼礁的集鱼效果进行监测。北斗系统对鱼礁集鱼效果的监测流程图如图3所示。

图3 北斗系统对鱼礁集鱼效果的监测流程图

3 结束语

卫星导航系统在海洋工程中的广泛应用,推动了海洋科技的进步,使人类对于海洋的探索和利用更加深入。在以上所述的北斗卫星导航系统未来将在人工鱼礁中得到广泛应用,对海洋牧场进行实时监控, 从而能有效地达到增殖各种浮游动植物和修复海洋生态环境的目的。随着北斗系统及相关公用设施不断的推进和建设, 海洋牧场的人工鱼礁的发展前景将更为广阔。

[1] 林连钱.人工鱼礁建设及管理中存在问题的初步研究 [D].上海:上海水产大学,2007.

[2] 田涛.人工鱼礁资源增殖生态学的研究[D].上海:中国海洋大学,2007.

[3] 陶峰,贾晓平,陈丕茂,等.人工鱼礁礁体设计的研究进展[J].南方水产,2008,4(3):64-69.

[4] 马世留.深圳建设人工鱼礁和保护海洋生态环境的努力与尝试[J].中国水产,2004(1):182-184.

[5] 胡晓粉,董绪荣,刘亚涛,等.北斗卫星导航系统服务性能指标分析[J].现代电子技术,2013(11):16-18.

[6] 杨彦.北斗卫星导航系统与全球定位系统的简要分析[J].无线互联科技,2011:130-132.

[7] 成方林,冯林强,张翼飞.“北斗”导航系统在海洋水文、气象监测系统中的应用[J].海洋技术,2004,23(3):70-73.

[8] 张少永,商红梅,李文彬.北斗定位通信系统在自持式剖面循环探测漂流浮标的应用探索[J].海洋技术,2009,28(4):126-129.

[9] 陈武法.用多功能卫星导航仪定位投放人工鱼礁[J].水产科技,2003(5):31-33.

[10]陈锦涛,戴小杰.鱼类标志放流技术的研究现状[J].上海水产大学学报,2005(4):451-456.

Explore BeiDou Satellite Navigation System in the Application of Artificial Reefs

JIANG Shaojie,WU Wei

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Due to overfishing and environmental pollution, global fishery resources have been decreasing continually, large amount of natural fishing ground have been damaged heavily. At present, the method of ocean pasture construction which takes advantage of artificial reef to repair natural fishing ground have been developed rapidly in coastal countries and regions and acquired better effect. Briefly introduces the basic composition of Beidou satellite navigation system and its characteristics. The paper was discussed from the satellite positioning and data real-time transmission in the artificial reef, fish reef monitoring and fish reef set effect detection applications, summarizes the value and prospects of development of the Beidou system in the field.

Artificial reefs; BeiDou satellite; positioning; set fish; detecting

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.024

2016-04-06

渔船控制制度研究(编号:D8002120119); 人工鱼礁设计(编号:D8006100082); 三峡工程竣工环境保护(编号:D8006140032)

S953.1

A

1008-9268(2017)02-0106-04

姜少杰 (1965-),女,副教授,主要从事机械设计、海洋工程等方面的研究。

吴伟 (1989-),女,硕士生,主要从事海洋工程、机械设计等方面的研究。

联系人: 吴伟 E-mail:815857646@qq.com