北斗衛星導航系統在人工魚礁中應用的探索

姜少杰,吳偉

(上海海洋大學工程學院,上海 201306)

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北斗衛星導航系統在人工魚礁中應用的探索

姜少杰,吳偉

(上海海洋大學工程學院,上海 201306)

由于過度捕撈和環境污染,全球漁業資源持續下降,許多天然漁場遭到嚴重破壞,目前以人工魚礁為主要修復手段的海洋牧場建設在世界各沿海國家得到迅猛發展,并且取得了良好的效果。簡單介紹了北斗衛星導航系統的基本組成和它的優點,并從衛星定位和數據實時傳輸在人工魚礁的投放、魚礁的監測及魚礁集魚效果監測的應用上進行了探討,概括了北斗系統在該領域的應用價值和發展前景。

人工魚礁;北斗衛星;定位;集魚;檢測

0 引 言

隨著社會經濟的不斷發展和環境污染的日益嚴重,海洋生態環境尤其是近海的生態環境逐漸惡化,再加上人們的過度捕撈,導致全球漁業資源持續下降,許多天然漁場遭到嚴重破壞,因此修復海洋生態環境和增殖漁業資源迫在眉睫。人工魚礁的設置可以改善海洋生態環境,能夠使水生生物聚集,提供生長所需的餌料,躲避其他生物的捕食,為生物的繁衍和棲息予以安全的場所,達到保護生態環境、增殖漁業資源的目的[1]。換句話而言,人工魚礁利于海洋生物聚集、索餌、棲息[2]。目前,世界各國包括美洲國家、一些亞洲國家以及歐盟等都開始采用人工魚礁,來改善海洋生態環境和增殖魚類資源,修復生物棲息地,提高漁業資源的狀況,并取得了顯著的效果。

人工魚礁的建設過程是一個復雜的系統工程,包括礁體的設計與制造,礁址的選擇,人工魚礁的投放,以及后期人工魚礁的維護與管理,人工魚礁的集魚效果等[3-4]。其中,人工魚礁的投放是人工魚礁建設過程的重要環節之一,投放結果的優劣影響著人工魚礁功能的實現效果。目前,人工魚礁的投放往往是根據目測或以往的經驗,在投放過程中受到海況條件,以及投礁技術等因素的影響,實際投放的位置與提前設計的位置有很大的偏差,這就造成了魚礁不能很好的發揮它的功能。而且人工魚礁的集魚效果也是人工魚礁建設工程的重要環節之一,它是評價人工魚礁設計是否合理的一個重要因素,現階段,我國都是通過潛水員潛到礁區拍攝的圖像和視頻來分析人工魚礁的聚魚效果,既受到了季節和溫度的限制,又浪費了人力和物力。北斗衛星導航系統所具備的高精度定位和數據通信功能這兩個優勢可以很好的解決以上所介紹的兩個問題,通過地面站不僅可以輕松獲得監測的數據,而且可以對魚礁周圍的礁區進行實時的監測。北斗衛星導航系統是中國自己發展、在世界上獨自運行、并與世界其他國家衛星導航系統兼容共享的全球衛星導航定位系統[5]。因此,本文利用北斗衛星導航系統高精度定位、具有通信功能的特點應用于人工魚礁投放和后期的監測中。

1 北斗衛星導航系統

當今世界主要有四大衛星導航系統,它們分別是中國的北斗衛星導航系統(BDS),美國的全球衛星定位系統(GPS),俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)以及歐洲的伽利略系統(GALILEO)。

其中,北斗衛星導航系統是我國自主研發的,獨立運行的全球衛星導航系統,整個系統主要由空間站、地面站和客戶端組成。

與其它的系統相比,北斗系統具有以下優點:

1) 同時具備定位和通信雙重的功能,無需其他通訊設備支持[6]。定位是由太空的導航通訊衛星,地面控制中心和用戶端這三部分組成,定位精度高,三維定位精度約20 m,授時精度約100 ns,可以提供100 ns(單向授時)和20 ns(雙向授時)的時間同步精度,覆蓋范圍廣,沒有盲區。因此,在遠海海域內,我們可以利用北斗的高精度定位的功能來投放人工魚礁,使人工魚礁能夠準確的投放在我們提前設計好的位置,能夠有效的發揮它的功能,而且我們可通過衛星定位對魚礁的丟失和淹沒進行實時監測。北斗通信功能是提供短報文通信,依托北斗用戶機可以實現雙向通訊,無需其它通信系統支持,而GPS、GLONASS只能定位。利用北斗的通訊功能,我們通過地面站不僅可以輕松獲得監測的數據,而且可以對魚礁周圍的礁區進行實時的監測。

2) 數據通信實時性強。數據傳輸快捷,一次數據的發送時間約為1s,接收終端在幾秒內就可以接收到發送端傳輸的數據,實時性比較強[7-8]。

3) 安全性能高,穩定,可靠,保密性強。北斗衛星導航系統是我國自主知識產權的衛星導航系統,使用不受外國勢力的影響,適合相關部門使用。

2 北斗系統在人工魚礁中應用的探索

隨著衛星導航技術的不斷發展,北斗系統現在已廣泛應用于各種領域,如為船舶、汽車、飛機等物體進行定位導航;為電力、郵電、通訊等網絡提供時間同步;另外由于北斗系統的精確授時和長距離短消息傳輸的特性,北斗系統在海洋工程數據傳輸方面中扮演著非常重要的角色。在海洋工程中,海洋浮標是一種現代化的海洋觀測設施,而人工魚礁是魚類生長、繁殖、索餌和棲息的重要場所,投放在海底。海洋浮標與人工魚礁礁體結合在一起構成一種新型的人工魚礁,其結構示意圖如下圖1所示,魚礁礁體相當于浮標的錨,投放在海底。由水下攝像頭采集的圖像和多參數水質傳感器采集的數據一起打包,通過北斗衛星發送到岸上指揮中心,便于對人工魚礁礁區進行實時的監測。

人工魚礁是魚類生長、繁殖、索餌和棲息的重要場所,起到改善海洋生態環境的重要作用,但所設計的魚礁的能否達到預定的效果是問題的關鍵。目前,魚礁涉及到的幾個關鍵性問題是魚礁礁址的選擇、魚礁的投放、魚礁的監測、魚礁的集魚效果。但隨著北斗系統由區域服務向全球拓展的逐漸轉變,以及北斗地基建設的日益完善,北斗系統的高精度定位、全天候、全天時、短報文通信等特點更加突出,促進了北斗系統的行業化和產業化應用。利用北斗系統的定位、數據的實時傳輸對魚礁以上的幾個問題進行實時有效的監測以達到魚礁能合理有效的應用于海洋中從而達到改善海洋生態環境的目的。

2.1 在魚礁投放中的應用

魚礁是海底魚兒的生長、繁殖、棲息的場所,而魚礁的正確投放是保證魚兒能很好的生長、繁殖、聚集,人工魚礁能否發揮它的作用主要取決于它的投放位置,投放不合理不僅不能實現其最初的目標,浪費財力和物力, 而且還會使得海底生態環境遭到破壞。為了避免上述問題,把北斗衛星定位系統應用到魚礁的投放過程中。根據海洋與漁業局制定的《廣東省人工魚礁建設技術規范》第3、4、14條[9]:魚礁的投放點允許的位置偏差如下:混凝土予制構件及其它邊長小于10 m的礁體:5 m;廢舊船舶及其它邊長大于10 m的礁體:10 m.

因此,利用衛星導航儀定位的位置進行準確投礁,使人工魚礁能夠有效的發揮其功能。目前設計的混凝土予制構件邊長3～4 m,衛星導航儀處于良好接受狀態,一般誤差小于5 m;精確定位誤差小于3 m.

2.2 在魚礁監測中的應用

人工魚礁作為漁業資源管理的一個工具是非常有效的,而對它們本身的管理也是非常重要的。首先,要做好人工魚礁投放前的監測工作。人工魚礁投放前需要檢測所要投放的區域、區域的海域天氣和水文狀況、海底物質的變化情況等等;其次,人工魚礁建成后,根據人工魚礁的類型和形狀來確定合適且有效的捕撈作業方法。其中,有的作業方式對漁業資源和生態環境破壞比較嚴重,如用藥毒魚、炸魚等這些方式都應嚴格禁止。最后,人工魚礁在海水流動和波浪的作用下,水流對魚礁有很大的沖擊力,可能造成魚礁的滑移、丟失,在水流的作用下可能導致海沙對魚礁的淹沒,這就使得魚礁發揮不出增殖魚類和浮游動植物等水生生物的效果,而導致不能對海洋生態環境起到改善的作用。

基于北斗衛星系統的遠程監測和無線傳輸的功能,可以在投放魚礁后對海洋環境、天氣、水質、漁業資源種類以及底質變化情況進行實時監測,以將各種情況傳輸到岸上接收站做到對魚礁進行實時維護;利用水下拍攝裝置和海洋浮標上的北斗終端設備通過北斗衛星將海底魚類的情況傳輸到岸上接收站,以準確做出該處海域是否能進行捕撈以及確定捕撈方式,魚礁監測系統具體示意圖如圖2所示。目前,是急需解決的問題,北斗衛星系統可以對海底的魚礁進行實時的遠程監測解決了海底魚礁的丟失和淹沒。

圖2 人工魚礁監測系統示意圖

2.3 在集魚效果監測中的應用

北斗衛星導航系統由于其精確的定時和短消息遠程傳輸的功能,在海上工程數據傳輸中起到了非常關鍵的作用。

魚礁是魚類生長、繁殖、索餌和棲息的場所,集魚效果是評價人工魚礁設計是否合理的重要指標之一,因此魚礁的投放能否達到集魚的作用是魚礁工程中一個關鍵性的問題,而在此問題中可以利用北斗系統對魚礁的集魚情況進行實時的監測,以使工作人員做出準確的判斷采取相應的措施來解決問題。可以通過分離式衛星來定位游動的魚類,從而對魚類進行跟蹤和記錄,這種方法叫做分離式衛星定位標記法。它是由一個耐侵蝕的分離裝備、一只精簡的攜帶天線的流線型環氧羥基樹脂耐壓殼、一只能在標記擺脫魚體時使天線豎直的浮圈組成。且與其內部相連的有一只微型的處理器,它還可以記錄多達61天的平均水溫(每小時抽樣記錄)[10]。水下拍攝裝置也對魚進行監測,它主要是針對水下魚群的生長、運動、種類以及集魚情況進行拍攝,從而做到實時對人工魚礁的集魚效果進行監測。水下的多參數水質傳感器可以對海水的溫度、鹽度、PH值、渾濁度、溶氧度等參數進行檢測,來分析魚礁區域的水質變化。分離式衛星的數據、水下拍攝裝置的數據和多參數水質傳感器采集的數據傳輸到海洋浮標上的北斗終端設備,然后再通過北斗衛星組把這些數據發送給地面控制中心,地面控制中心對這些數據進行存儲、整理并打包,同時把反饋信息通過通信設備發送到岸上指揮中心。岸上指揮中心對這些數據進行解碼、識別和預處理,并存入指揮中心數據庫中,便于管理者或相關部門提取。因此,可以通過北斗衛星導航系統對人工魚礁的集魚效果進行監測。北斗系統對魚礁集魚效果的監測流程圖如圖3所示。

圖3 北斗系統對魚礁集魚效果的監測流程圖

3 結束語

衛星導航系統在海洋工程中的廣泛應用,推動了海洋科技的進步,使人類對于海洋的探索和利用更加深入。在以上所述的北斗衛星導航系統未來將在人工魚礁中得到廣泛應用,對海洋牧場進行實時監控, 從而能有效地達到增殖各種浮游動植物和修復海洋生態環境的目的。隨著北斗系統及相關公用設施不斷的推進和建設, 海洋牧場的人工魚礁的發展前景將更為廣闊。

[1] 林連錢.人工魚礁建設及管理中存在問題的初步研究 [D].上海:上海水產大學,2007.

[2] 田濤.人工魚礁資源增殖生態學的研究[D].上海:中國海洋大學,2007.

[3] 陶峰,賈曉平,陳丕茂,等.人工魚礁礁體設計的研究進展[J].南方水產,2008,4(3):64-69.

[4] 馬世留.深圳建設人工魚礁和保護海洋生態環境的努力與嘗試[J].中國水產,2004(1):182-184.

[5] 胡曉粉,董緒榮,劉亞濤,等.北斗衛星導航系統服務性能指標分析[J].現代電子技術,2013(11):16-18.

[6] 楊彥.北斗衛星導航系統與全球定位系統的簡要分析[J].無線互聯科技,2011:130-132.

[7] 成方林,馮林強,張翼飛.“北斗”導航系統在海洋水文、氣象監測系統中的應用[J].海洋技術,2004,23(3):70-73.

[8] 張少永,商紅梅,李文彬.北斗定位通信系統在自持式剖面循環探測漂流浮標的應用探索[J].海洋技術,2009,28(4):126-129.

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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

漁船控制制度研究(編號:D8002120119); 人工魚礁設計(編號:D8006100082); 三峽工程竣工環境保護(編號:D8006140032)

S953.1

A

1008-9268(2017)02-0106-04

姜少杰 (1965-),女,副教授,主要從事機械設計、海洋工程等方面的研究。

吳偉 (1989-),女,碩士生,主要從事海洋工程、機械設計等方面的研究。

聯系人: 吳偉 E-mail:815857646@qq.com