北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在人工魚礁中應(yīng)用的探索

姜少杰,吳偉

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306)

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在人工魚礁中應(yīng)用的探索

姜少杰,吳偉

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306)

由于過度捕撈和環(huán)境污染,全球漁業(yè)資源持續(xù)下降,許多天然漁場遭到嚴(yán)重破壞,目前以人工魚礁為主要修復(fù)手段的海洋牧場建設(shè)在世界各沿海國家得到迅猛發(fā)展,并且取得了良好的效果。簡單介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成和它的優(yōu)點,并從衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)實時傳輸在人工魚礁的投放、魚礁的監(jiān)測及魚礁集魚效果監(jiān)測的應(yīng)用上進行了探討,概括了北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

人工魚礁;北斗衛(wèi)星;定位;集魚;檢測

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,海洋生態(tài)環(huán)境尤其是近海的生態(tài)環(huán)境逐漸惡化,再加上人們的過度捕撈,導(dǎo)致全球漁業(yè)資源持續(xù)下降,許多天然漁場遭到嚴(yán)重破壞,因此修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境和增殖漁業(yè)資源迫在眉睫。人工魚礁的設(shè)置可以改善海洋生態(tài)環(huán)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(dá)到保護生態(tài)環(huán)境、增殖漁業(yè)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(tài)環(huán)境和增殖魚類資源,修復(fù)生物棲息地,提高漁業(yè)資源的狀況,并取得了顯著的效果。

人工魚礁的建設(shè)過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,包括礁體的設(shè)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(shè)過程的重要環(huán)節(jié)之一,投放結(jié)果的優(yōu)劣影響著人工魚礁功能的實現(xiàn)效果。目前,人工魚礁的投放往往是根據(jù)目測或以往的經(jīng)驗,在投放過程中受到海況條件,以及投礁技術(shù)等因素的影響,實際投放的位置與提前設(shè)計的位置有很大的偏差,這就造成了魚礁不能很好的發(fā)揮它的功能。而且人工魚礁的集魚效果也是人工魚礁建設(shè)工程的重要環(huán)節(jié)之一,它是評價人工魚礁設(shè)計是否合理的一個重要因素,現(xiàn)階段,我國都是通過潛水員潛到礁區(qū)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(jié)和溫度的限制,又浪費了人力和物力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的高精度定位和數(shù)據(jù)通信功能這兩個優(yōu)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(jiān)測的數(shù)據(jù),而且可以對魚礁周圍的礁區(qū)進行實時的監(jiān)測。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自己發(fā)展、在世界上獨自運行、并與世界其他國家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共享的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[5]。因此,本文利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度定位、具有通信功能的特點應(yīng)用于人工魚礁投放和后期的監(jiān)測中。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

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

其中,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的,獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),整個系統(tǒng)主要由空間站、地面站和客戶端組成。

與其它的系統(tǒng)相比,北斗系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

1) 同時具備定位和通信雙重的功能,無需其他通訊設(shè)備支持[6]。定位是由太空的導(dǎo)航通訊衛(wèi)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(qū)。因此,在遠(yuǎn)海海域內(nèi),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(zhǔn)確的投放在我們提前設(shè)計好的位置,能夠有效的發(fā)揮它的功能,而且我們可通過衛(wèi)星定位對魚礁的丟失和淹沒進行實時監(jiān)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(xiàn)雙向通訊,無需其它通信系統(tǒng)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(jiān)測的數(shù)據(jù),而且可以對魚礁周圍的礁區(qū)進行實時的監(jiān)測。

2) 數(shù)據(jù)通信實時性強。數(shù)據(jù)傳輸快捷,一次數(shù)據(jù)的發(fā)送時間約為1s,接收終端在幾秒內(nèi)就可以接收到發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù),實時性比較強[7-8]。

3) 安全性能高,穩(wěn)定,可靠,保密性強。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),使用不受外國勢力的影響,適合相關(guān)部門使用。

2 北斗系統(tǒng)在人工魚礁中應(yīng)用的探索

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展,北斗系統(tǒng)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,如為船舶、汽車、飛機等物體進行定位導(dǎo)航;為電力、郵電、通訊等網(wǎng)絡(luò)提供時間同步;另外由于北斗系統(tǒng)的精確授時和長距離短消息傳輸?shù)奶匦?北斗系統(tǒng)在海洋工程數(shù)據(jù)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(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測設(shè)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(biāo)與人工魚礁礁體結(jié)合在一起構(gòu)成一種新型的人工魚礁,其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示,魚礁礁體相當(dāng)于浮標(biāo)的錨,投放在海底。由水下攝像頭采集的圖像和多參數(shù)水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)一起打包,通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到岸上指揮中心,便于對人工魚礁礁區(qū)進行實時的監(jiān)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(tài)環(huán)境的重要作用,但所設(shè)計的魚礁的能否達(dá)到預(yù)定的效果是問題的關(guān)鍵。目前,魚礁涉及到的幾個關(guān)鍵性問題是魚礁礁址的選擇、魚礁的投放、魚礁的監(jiān)測、魚礁的集魚效果。但隨著北斗系統(tǒng)由區(qū)域服務(wù)向全球拓展的逐漸轉(zhuǎn)變,以及北斗地基建設(shè)的日益完善,北斗系統(tǒng)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(tǒng)的行業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。利用北斗系統(tǒng)的定位、數(shù)據(jù)的實時傳輸對魚礁以上的幾個問題進行實時有效的監(jiān)測以達(dá)到魚礁能合理有效的應(yīng)用于海洋中從而達(dá)到改善海洋生態(tài)環(huán)境的目的。

2.1 在魚礁投放中的應(yīng)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(fā)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(xiàn)其最初的目標(biāo),浪費財力和物力, 而且還會使得海底生態(tài)環(huán)境遭到破壞。為了避免上述問題,把北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用到魚礁的投放過程中。根據(jù)海洋與漁業(yè)局制定的《廣東省人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)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(gòu)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(wèi)星導(dǎo)航儀定位的位置進行準(zhǔn)確投礁,使人工魚礁能夠有效的發(fā)揮其功能。目前設(shè)計的混凝土予制構(gòu)件邊長3～4 m,衛(wèi)星導(dǎo)航儀處于良好接受狀態(tài),一般誤差小于5 m;精確定位誤差小于3 m.

2.2 在魚礁監(jiān)測中的應(yīng)用

人工魚礁作為漁業(yè)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(jiān)測工作。人工魚礁投放前需要檢測所要投放的區(qū)域、區(qū)域的海域天氣和水文狀況、海底物質(zhì)的變化情況等等;其次,人工魚礁建成后,根據(jù)人工魚礁的類型和形狀來確定合適且有效的捕撈作業(yè)方法。其中,有的作業(yè)方式對漁業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境破壞比較嚴(yán)重,如用藥毒魚、炸魚等這些方式都應(yīng)嚴(yán)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(dǎo)致海沙對魚礁的淹沒,這就使得魚礁發(fā)揮不出增殖魚類和浮游動植物等水生生物的效果,而導(dǎo)致不能對海洋生態(tài)環(huán)境起到改善的作用。

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和無線傳輸?shù)墓δ?可以在投放魚礁后對海洋環(huán)境、天氣、水質(zhì)、漁業(yè)資源種類以及底質(zhì)變化情況進行實時監(jiān)測,以將各種情況傳輸?shù)桨渡辖邮照咀龅綄︳~礁進行實時維護;利用水下拍攝裝置和海洋浮標(biāo)上的北斗終端設(shè)備通過北斗衛(wèi)星將海底魚類的情況傳輸?shù)桨渡辖邮照?以準(zhǔn)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(jiān)測系統(tǒng)具體示意圖如圖2所示。目前,是急需解決的問題,北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以對海底的魚礁進行實時的遠(yuǎn)程監(jiān)測解決了海底魚礁的丟失和淹沒。

圖2 人工魚礁監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.3 在集魚效果監(jiān)測中的應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于其精確的定時和短消息遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?在海上工程數(shù)據(jù)傳輸中起到了非常關(guān)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(shè)計是否合理的重要指標(biāo)之一,因此魚礁的投放能否達(dá)到集魚的作用是魚礁工程中一個關(guān)鍵性的問題,而在此問題中可以利用北斗系統(tǒng)對魚礁的集魚情況進行實時的監(jiān)測,以使工作人員做出準(zhǔn)確的判斷采取相應(yīng)的措施來解決問題。可以通過分離式衛(wèi)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(wèi)星定位標(biāo)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(huán)氧羥基樹脂耐壓殼、一只能在標(biāo)記擺脫魚體時使天線豎直的浮圈組成。且與其內(nèi)部相連的有一只微型的處理器,它還可以記錄多達(dá)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(jiān)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(jiān)測。水下的多參數(shù)水質(zhì)傳感器可以對海水的溫度、鹽度、PH值、渾濁度、溶氧度等參數(shù)進行檢測,來分析魚礁區(qū)域的水質(zhì)變化。分離式衛(wèi)星的數(shù)據(jù)、水下拍攝裝置的數(shù)據(jù)和多參數(shù)水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶Ｑ蟾?biāo)上的北斗終端設(shè)備,然后再通過北斗衛(wèi)星組把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給地面控制中心,地面控制中心對這些數(shù)據(jù)進行存儲、整理并打包,同時把反饋信息通過通信設(shè)備發(fā)送到岸上指揮中心。岸上指揮中心對這些數(shù)據(jù)進行解碼、識別和預(yù)處理,并存入指揮中心數(shù)據(jù)庫中,便于管理者或相關(guān)部門提取。因此,可以通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對人工魚礁的集魚效果進行監(jiān)測。北斗系統(tǒng)對魚礁集魚效果的監(jiān)測流程圖如圖3所示。

圖3 北斗系統(tǒng)對魚礁集魚效果的監(jiān)測流程圖

3 結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的廣泛應(yīng)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來將在人工魚礁中得到廣泛應(yīng)用,對海洋牧場進行實時監(jiān)控, 從而能有效地達(dá)到增殖各種浮游動植物和修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境的目的。隨著北斗系統(tǒng)及相關(guān)公用設(shè)施不斷的推進和建設(shè), 海洋牧場的人工魚礁的發(fā)展前景將更為廣闊。

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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(shè)計(編號:D8006100082); 三峽工程竣工環(huán)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(shè)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(shè)計等方面的研究。

聯(lián)系人: 吳偉 E-mail:815857646@qq.com