GIS 及卫星通讯技术在船位监测中的应用

黄小华

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

海洋渔业是我国海洋经济的支柱性产业，经济、科技双发展的趋势之下，航行安全、海洋交通管理以及海洋环境监测得到广泛关注，想要保持海洋渔业“健康、可持续”发展，促进产业升级的同时构建“平安渔业”，融合科学手段，提升管理效率十分有必要。渔业船舶船位监控系统是一个涉及多学科综合应用的系统，其中包含地理信息系统 、卫星通讯技术、全球定位技术等诸多关键技术，同时结合先进的物联网+、计算机信息技术，通过大数据分析对数据进行梳理，实现了无线传输、地理定位、数据可视化等功能的高度集成，不仅能够完成海上作业渔船船位监测，弥补传统船位监测手段在技术、 人力、 物力上的不足，同时对于实现渔业安全生产监督管理、完成渔船指挥通信与调度以及改善渔民生活水平皆有着十分积极的意义。

1 GIS技术概述

1.1 GIS技术简介

地理信息系统简称GIS，是一个复杂的工作系统，也是一个多学科交叉产物，具备明显的空间性、时间性、地图约束性以及地理属性。地理信息技术以地理空间为基础，以地理模型分析为方法，能够完成多种空间动态以及地理信息的收集，该系统的处理、管理对象包含定位数据、图形数据以及遥感图像数据等在内的多种地理空间实体数据。整个系统包含采集、存储、管理以及分析在内的所有对地球表面与地理分布进行描述的空间信息处理流程。地理信息系统最大的优势在于将位置作为关键词，并利用该关键词实现相应变量关联不相关信息的索引，分别以X、Y 以及Z 为坐标轴完成经度、纬度以及海拔高度的记录，保证时空上的数据记录延伸。系统应用过程中涉及大量的技术、流程以及方法，其具备的动态化属性能够保证信息表达能力得到有效地提升，从而为相关工作实现提供更为精准的参考，被广泛应用于农业、环境以及测绘等多个领域，是实现空间分析以及可视化管理的服务基础。如图1 所示。

图1： 地理信息技术工作原理

1.2 GIS技术在海洋渔业中的应用

当前渔业信息技术集地理信息技术、遥感信息技术以及、全球导航卫星系统于一体，能够综合整理整个渔业组织结构以及科研体系，是相关资料调查、收集以及整理的全面性应用。实现了内陆可养水域分布以及变迁情况的掌握、海洋渔业捕捞船舶分布的掌控以及同邻国海域边界划分情况的记录。船位监测以及管理指挥系统是整个海洋作业管理的关键，能够全面的对所管辖水域的基本情况进行掌握以及现场状况的感知，同时为相关的决策辅助提供基础性的数据。地理信息技术是船位监测系统的基本组成，能够精准地获取船位信息、表达复杂的交通信息、显示过去时间段中船舶的航行轨迹，同时对于航线修正、引导以及其他相关功能查询也提供了较高的技术支持，是优化海上交通环境的重要参考。更为关键的是，监控中心能够保证在地理信息系统运用的基础之上，实现对船舶的可视化管理。

2 卫星通讯技术概述

2.1 卫星通讯技术简介

卫星通信技术是一种通讯技术手段，该技术手段以人造地球卫星作为中继站，通过对无线电波的转发保证两个或多个地球站之间的通信实现。因此，整个卫星通信系统包括两部分构成，分别是通讯卫星以及通讯卫星所连接的地球站。当前整个卫星通信系统当中，同步卫星是常用星体，着同地球自转方向一致、运转周期同地球自转周期相同的特点，这也是其保持同步运行状态的根本所在。整个卫星通讯系统在工作的过程中与现有的4G/5G通信技术相比，通信范围更大、经济技术效果更为明显、通信质量和可靠性更高、相应的信号配置也更加的灵活，同时具备多址连接、机动性高、组网内综合业务强等明显优势，因此被广泛应用于军事、救援以及多种应急场景。

2.2 卫星通信技术在海洋渔业中的应用

卫星通讯技术是渔业船舶航行过程中实现系统导航、加强空间联系的主要技术，在渔业中的应用提供了存储、转发、寻呼等多种数据通讯渠道。整个应用过程中通过终端信息检测装置的安装完成相应工作状况的检测，进而将相应的数据和指令进行结果封装，执行封装完成之后的数据指令实时发送到北斗卫星网络当中，经过服务器的解码传送至数据代理服务器端，再经过进一步的过滤保存直接反馈给终端用户。另外，海洋渔业在海上航行的过程中离不开导航定位系统。通过导航定位系统的引导能够实现航速的了解、航向以及位置、时间、轨迹的确定。而在此过程中，基于北斗卫星导航定位系统逐步完成了海洋渔业的全面性覆盖，我国的海洋渔业安全通信构架已经初步形成，能够满足当代渔政管理、安全生产的需求。

3 船位监测的重要意义

3.1 监督渔业规范生产

长时间以来，我国对渔业安全生产监管一直较为重视，早在2005 年就建立了全国渔业安全通信网，保证对渔船进行基本的船位监测。2019 年，农业农村部关于印发《远洋渔船船位监测管理办法》的通知，通知中明确要求从事远洋渔业生产业务的渔船要保证船位监测设备的安装，并逐步纳入船位监测系统，将该条件作为远洋渔业项目审批的必要条件以及领取相关政策补贴的重要依据。尽管渔业是我国海洋经济的主要产业，但随着渔业资源保护力度的加大以及非法捕鱼的严厉打击，必须对相应的渔业组织以及渔船进行严格的监督管理才能够促进渔业的可持续发展。而船位监测系统的使用，这是渔业规范管理的进一步强化，也是国家义务的切实履行，能够有效地实现相应渔船控制，满足渔船定位需求，达成看得见、听得到、连得上的基本管理。

3.2 解决涉外渔业纠纷

我海岸线绵长，但大多集中于东南区域，主要海岸线与日本、韩国以及越南相接轨，所以中韩、中日、中越为协定水域，大多数传统渔民集中于上述水域进行渔业捕捞。不过，随着远洋渔业的进一步拓展，以及经济发展需求的逐渐增高，我国逐步推行一带一路发展战略，并将适度有序开展海洋渔业发展作为战略方针，加大了深海渔业发展的鼓励力度和政策引导。但随着海洋渔业逐渐向深海发展，相应的涉外事件也呈现出了增长的趋势。与此同时，相应的外籍船只侵犯以及无端扣留、驱赶我国渔船现象时有发生。这样一来，严重地影响了我国渔船的经济利益，同时对于我国领土主权也造成了一定程度的挑衅。为有效应对该种纠纷，农业部积极推进船位监测系统的使用，不仅保证了渔船动态监控以及指挥调度的全面覆盖，同时，也为解决涉外渔业纠纷提供了有效的证据，是捍卫国家主权、维护渔民利益的根本。

3.3 维护海上交通安全

平安渔业是我国海洋渔业发展的宗旨，主要目标在于保证渔民的生命财产安全，实现产业的可持续发展。整个船位监测系统集合了卫星定位技术、GIS 地理信息技术以及CDMA 移动通信等技术，实现了船载终端的报警功能。在此过程中完成了临近船舶距离的提醒，避免了船舶发生碰撞，且一旦相应渔船遇到风险能够及时地及时地与指挥中心取得联系，方便指挥中心组织周边渔船、政船开展相关的救援，最大限度地保证人员以及财产损失的减少。另外，船位监测系统的使用能够精准地获取相应船只的位置、航速、航向，在动态监控覆盖之下有效地完成渔船的指挥和调度，实现海上交通管网的优化。另外，渔船在海上航行过程中，涉及诸多的风险因素，其中既包括海水深度、障碍物也包括那的天气，而船位监测搭载的多功能模块能够及时地及时地向作业船只发送天气以及相关的风险预警，保证作业船只拥有足够的时间去应对，根据自己的实际情况选择停靠或者进行返航，保证安全。

4 基于GIS及卫星通讯技术的船位监测系统的实现

4.1 主要技术介绍

4.1.1 嵌入式技术

嵌入式技术是计算机技术、电子信息技术、通信技术以及集成电路等技术的衍生，是计算机技术以及应用领域的重要分支，该技术以应用为中心、以计算机技术为基础，通过相应的软硬件裁剪来完成相对功能的适应。在宿主机上完成软件的开发和利用，通过串口或网口完成交叉编译代码的传输和下载，同时在系统支持下完成分析和调试，最后实现宿主机的脱离并单独运行。嵌入式技术应用过程中交叉编译以及远程调试是核心构成技术，有着内核小、操作简单以及专用性强的特点，通过完成固化存储来保证运行效率的提升。

4.1.2 GIS 技术

地理信息技术有着十分广泛的应用范围，以计算机软硬件为支持，能够实现多种地理空间数据以及相关数据网络空间的建立，保证为复杂问题的规划以及决策提供参考。因此，在整个船位监测管理系统构建当中，地理信息系统硬件系统包含计算机以及外围设备，而软件系统中包含多种功能嵌入。其中核心功能包含数据输入与转换、图形文本编辑、据输出与表达、空间数据存储与管理以及空间查询与分析为主要构成。嵌入式技术的辅助能够保证移动地理信息技术的实现，以完成空间限制的突破。

4.1.3 北斗卫星通信技术

卫星系统以卫星信号描述为基础，以用户接收机为根本，能够在全球范围内提供精确的三维位置、速度以及时间信息，是导航定位以及通信技术的继承。全球导航卫星系统包含所有在轨工作的卫星导航系统，其中以美国的GPS 系统、俄罗斯的GLONASS 系统、欧盟的GALILEO 系统为主要代表，我国的北斗系统是我国自主研发的军民共用卫星定位导航系统，卫星数量少、投资小、功能全面、通讯用途多是其最明显的特点，完全能够满足海陆空全方位的导航定位需求。而随着其技术的成熟，无论在完成相应的传位、测量、导航，还是在测速、测试等方面，都得到了广泛且全面的应用。而其在服务于船位监测系统的过程当中，通过终端信息检测装置的安装来实现船舶工作状况的检测，通过北斗卫星通信模块来实现信息的发送，在服务器的作用之下传输至控制终端。

4.1.4 雷达技术

雷达技术利用电磁波的散射来完成目标空间位置的测定，如今实现了集成电路、通用CPU 以及微波集成电路芯片的融合，能够完成目标空间、坐标以及速度特征等相关信息的精准获取。当前船位监测系统中的搭载雷达以数字化船载雷达为主，计算机的处理之下，把相应的光、声、电磁等信号转化为数字信号，或者将相应的语言、图像和文字转变为数字编码来实现进一步的处理。不仅能够对回波进行数字化的处理完成噪音的过滤，同时实现了数字信息的精准显示。

4.2 需求分析

GIS 地理信息系统与北斗通信系统的结合不仅是一个取长补短的过程，更是一个高级功能衍生的过程。通过对GIS地理信息系统的接入，整个北斗生系统能够完成电子地图上的漫游查询以及准确形象地反映。因为对于北斗通信系统而言，其接受的信号难以实现地图的输入，所以需要回到地形图或者专题图上经过一定的查找何时才能够实现信号技术手段的介入，整个过程毕竟造成人力浪费，且科技性未能凸显，因此将北斗通信系统同电子地图相配合，能够通过相互之间的配合并利用GIS 地理信息系统完成数据的处理和分析。

结合我国当前海洋渔业发展实际，整个船位监测管理系统要通过GIS 通信技术以及计算机网络技术的综合利用来保证海洋水域内所有合法合规船舶船位监测，能够在监控系统库中完成对船舶实时位置的读取，并实现其航向、速度的标注，并实现船舶航行轨迹的查询和跟踪。该系统中还满足即时地完成相应的港口以及码头分布情况进行更新和查询，为船舶作业提供有效参考。其次，该监测系统要保证对海上水域相关信息进行及时的查询，这些信息既包括禁航区的分布以及海情、海貌，也包含相关障碍物的分布、气象信息等，整个系统运行的过程中可以根据所反馈的信息完成临时受限区域的标注，通过三维地图的构建实现船位监测的可视化。最后，要保证船位监测系统能够及时地及时地完成相应的雷达数据、北斗数据以及GIS 信息网络通信数据的及时接收，对既定海域范围内的滩涂以及可养水域分布、主要经济鱼类产量和相关的野生动物种群分布信息进行综合勘测调研，建立完善的信息查询统计系统，为实现渔业的可持续发展奠定基础。如图2 所示。

图2： 系统需求结构框架

4.3 硬件系统

4.3.1 监测终端

监测终端安装于海上作业船舶，其主要功能在于完成对整个航行过程的有效监控，并且通过移动通信网络以及北斗通信系统直接将相应的航行路线、速度等信息完成到监测中心的传递。监测终端设计过程中微处理器是重点，目前单片机是最常用的微处理器，能够针对于多种实际需求将相应的电路以及微处理器完成一个芯片上的集成。对于监测终端而言，硬件平台的选择十分重要，通常以ARM 为主，能够完成微型化、低功耗以及高性能的处理，且该处理器作为RISC 微处理器的一种，预制相比较有着较高的效率和较低的价位以及功耗。

4.3.2 服务终端

服务端的搭建以提高系统性能为目标，是人机交互的直接体现，通过多功能部署来保证服务端功能性和逻辑性的提升。同时能够保证连接节点类、拓扑节点类、拓扑岛类通过零阻抗实现连接，网络设计的过程中以 C/S 分布式网络机构完成数据交互处理。在功能模型的设计过程中通过视图层、业务逻辑层以及数据层的建立分别完成对应功能的实现。视图层的设计重点在于原始数据、状态估计结果以及各类监控预警信息的查看；业务逻辑层的重点在于各个功能组件功能的深度发挥；数据层与逻辑视图相对应。

4.4 软件设计

4.4.1 数据中心的建立

数据库的设计宗旨在于完成监测、预测以及预警数据的保存，从而提高软件系统的操作性，保证整个电力系统运行过程当中形成有效的参考。在对数据库进行完善设计的过程当中，应遵循必要性、效率性以及完整性的基本原则，将非必要性数据进行简化冗余，最大限度地保留必要性数据存储空间。本次船位监测管理系统数据库建立过程中包括GIS 数据以及雷达数据，设计的过程中以 Power Designer 为工具，同时通过 Oracle 10g 数据库的使用保证数据性能的提升，利用 Web. config 完成数据库的连接。

整个船位监测管理系统数据库包括空间数据库以及属性数据库两个主要部分，空间数据库是指GIS 地理信息技术为基础完成的电子海图数据库，其中包含相应的海岸线、海岛以及航道标注等数据信息，同时也包括相应的行政区划、边界线等数据信息以及码头和应急事故处理设备的分布等。空间数据建立的过程中以统一的坐标系统为标准，完成GIS 地理信息空间的分析；而属性数据库的建立，包括地图属性数据以及业务系统数据两大类别，是完成船位动态监测管理以及应急调度指挥的基础。

4.4.2 软件开发

本次设计中终端软件开发语言采用C 语言，核心技术包含TCP/IP Socket 套接字通信技术、Java 平台、 文档对象模型技术、Hibernate 持久化技术， EVENT/Delegate 代理委托技术等，在WindowsCE.NET 操作系统下完成，监测中心软件功能包含定位、报警、轨迹跟踪回放、以及雷达识别等。系统由启动层、中间层以及应用层三个层次为主要构成，启动层能够完成系统的初始化，中间层能够实现实时操作以及硬件的驱动程序的完成，应用层通过任务采集实现各项指令的执行。通过对数据通信与解析功能模块、状态估计与预警监测模块以及数据查看功能设计开发完成了整体监测系统架构设计。

5 发展趋势

当前我国海洋渔业规模逐渐扩大，相应的安全需求以及航海保障也提出了更高的挑战，尽管我国船位监测管理系统已经拥有了相对成熟的技术支持以及相对完善的功能覆盖，但整体而言，伴随着大数据以及云计算等高端技术的发展，集成化、智能化、以及数字化依旧为船位监测主要的发展趋势。

目前，在海洋管理方面，除了农业以及海洋部门之外，相应的海事、航道、港务以及气象等部门均按照各自的需求完成了相应信息采集点的建设以及数据采集任务，但在此过程中，很多观测内容相重复或相近，造成了极大的资源浪费。国际海道测量组织（IHO）海洋空间数据基础设施建设的指南的发布，明确要求各成员国积极开展MSDI 的建设，将相应的海洋以及海岸空间数据采集、海上航行安全生产发布同海洋开发利用以及环境保护相结合，保证各部门跨行业协作管理的基本职责。因此，协同管理共建共享共用成为发展必然。

当然，整个船位监测协同管理的过程中，需要保证从人、传以及环境三个维度综合去进行船位监测管理，在地理信息系统服务基础之上融合相应的船舶交通系统建立完善的集成体系，全面融合三维地图、全景地图以及卫星图等多项数据，完成电子巡航、异常传播信息稽查管控以及交通态势分析等，保证整个检测管理系统完成全面的可控，并以可持续发展为核心，在兼顾资源以及环境的前提下，有的放矢的完成海洋渔业捕捞计划的制定。

另外，整个船位检测系统发展趋势中，以数字赋能智能化管理最为突出，数字赋能智能化管理战略的落地是船舶智能监控系统优化的主攻方向。该种方向保证从根本的船舶安全入手，同时，围绕相应的监控、区域以及作业三大维度逐渐延伸实现了数字化管控中心的打造，全方位地保证了海洋渔业的航行安全，同时大大的增加了安全风险的防控能力。

更为重要的是，数字赋能战略的使用不仅能够完成对数据的连续监测以及历史记录查询，同时根据相应的发展趋势进行预测，实现了更为广泛管理目标的覆盖，真正意义上实现了异常数据以及航线优化等多个角度的预警。且对于相应的油污排放以及岸基审核等全流程实现了精准的监控。因此，在未来整个船位监测系统将继续完成数字化以及信息化应用场景的探索，切实将数字化建设引用到系统功能升级优化的全程。

6 结语

海洋渔业是一个庞大的系统，也是我国渔业发展的重要构成，该体系中既包括捕捞业、养殖业、加工业，同时也包括上下游相关产业，是国民经济的重要支撑也是沿海区域，也是民生保障的根本。为保证平安渔业根本目标的实现，我国连续出台多项政策，加强了船位动态数据监测以及信息化技术手段在船位监测当中的应用。GIS 以及卫星通信技术功能的深度发挥成为了整个系统建设的关键词。当然，这二者之间并非相互孤立的系统，而是一个相互影响、相互促进的集合。为此，在渔业监测管理系统建设的过程中，应深度发挥其优势、挖掘其内涵作用。综合网络通信技术以及计算机应用技术等核心技术的应用，完成管理系统的优化和升级，切实的提高船位监测管理效率、提升海洋渔业安全生产监督管理，实现“平安渔业”的根本目标，最终促进海洋渔业的可持续发展。