基于北斗衛星導航系統的船聯網應用研究

郭 毅

（武漢理工大學，湖北 武漢430070）

1 北斗衛星導航系統簡介

1.1 系統簡介

中國北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統，是繼美國全球衛星定位系統和俄羅斯全球衛星導航系統之后第三個成熟的衛星導航系統。系統由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度優于20m，授時精度優于100ns。

2012年12月27日，北斗系統空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統，覆蓋范圍東經約70°～140°，北緯5°～55°。目前，北斗衛星系統已經對東南亞實現全覆蓋。

我國北斗衛星導航系統的建設實施三步走的規劃：第一步是試驗階段，即用少量衛星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務，為“北斗”衛星導航系統建設積累技術經驗、培養人才，研制一些地面應用基礎設施設備等；第二步是到2012年，計劃發射10 多顆衛星，建成覆蓋亞太區域的“北斗”衛星導航定位系統（即“北斗二號”區域系統）；第三步是到2020年，建成由5顆地球靜止軌道和30 顆地球非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統。

1.2 北斗短報文功能簡介

短報文功能是北斗特有的而GPS不具備的一項技術突破。所謂短報文，是指衛星定位終端和北斗衛星或北斗地面服務站之前能夠直接通過衛星信號進行雙向的信息傳遞，而GPS 只能單向傳遞（終端從衛星接收位置信號）。短報文意味著信息傳遞的效率更高，比如在普通移動通訊信號不能覆蓋的情況下（例如地震災害過后通訊基站遭到破壞），北斗終端就可以通過短報文進行緊急通訊等。

北斗系統最大的特色在于有源定位和短報文特色服務，不僅解決了中國有無衛星導航系統的問題，還能將短信和導航結合，是中國北斗衛星導航系統的獨特發明，也是其一大優勢。其他衛星導航系統只是告訴你什么時間、在什么地方，而北斗衛星導航系統除了讓你自己知道在什么時間、什么地方之外，還可以將你的位置信息發送出去，使你想告知的其他人獲知你的情況，解決了何人、何事、何地的問題。

2 船聯網的定義

要解釋何為船聯網，就要先說明什么是物聯網。物聯網是指通過傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在鏈接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。與其說物聯網是網絡，不如說物聯網是業務和應用，物聯網也被視為互聯網的應用拓展。因此應用創新是物聯網發展的核心。

物是抽象的，但物聯網是具體的。因此物聯網的發展必須是從具體的“物聯”入手。當前物聯網正在從概念走向具體，率先找到條件成熟的行業建立專業物聯網是搶占物聯網發展先機的一條科學道路。其中車聯網已經開始行動，而船聯網也是物聯網的一個重要的且條件較為成熟的應用領域。

和物聯網的定義類似，船聯網是將各類船只在統一標識的基礎上，通過加裝或利用已經存在的末端設備，用各種技術手段（北斗、海事衛星、AIS、移動互聯網等技術）實現互聯互通，在內網、專網或互聯網的環境下，為各類船舶利益相關用戶群提供船位監控、調度指揮、安全服務、電子商務、信息服務等應用的管、控、營一體化系統。

3 船聯網的系統架構

船聯網的架構層次劃分和物聯網是相同的，即感知層、網絡層、應用層。但具體到船聯網，正好可以用“船”、“聯”、“網”三個字來概括這三層架構，如圖1所示。

圖1 船聯網的三層架構

“船”：指各類船只，如漁船、運輸船、游艇等，配置了船聯網設備（相當于物聯網概念中的傳感器、末端設備）。

“聯”：目前船舶的標識、通信手段主要有北斗、海事衛星、AIS、移動互聯網等技術手段，該層包含了各種手段的通信節點和通信網絡。

“網”：通過“聯”，把“船”聯結到了一起，經由中間件構成具體的網絡應用系統，基于開放的互聯網架構，采用云計算技術，提供面向行業和公眾的服務，具體為船聯網公共服務平臺、船聯網示范應用等范疇。

圖2 船聯網組成架構示意圖

船與一般意義上的物不同，上面有人，因此，船上的傳感器和末端設備除了感知、信息處理、信息收發之外，還有人機交互的功能，因此，這些設備不是單純的“物”——如一袋米上的RFID 標簽，一個隧道口的探頭和網絡傳輸設備，而是包括對船本身以及船上的人的感知，因此該設備不是一般意義上的船載設備概念，本文中稱這類船載設備為“船感器”，雖然發音和物聯網的“傳感器”相同，但含義更加具體，特指船聯網的末端設備，用于感知船和船上的人。

各類“船感器”獲得的信息通過各種聯接手段，如圖2 空中的北斗衛星鏈路、海事衛星鏈路，地面的AIS、移動通信基站及地面鏈路匯總到區域的一個中心節點，這個區域中心節點將區域內的所有船舶互聯互通。所以各類“船感器”必須遵循船聯網的基礎標準和通信協議，這也是其與普通船載設備的重要區別，因此，本文用“船感器”這個詞來表示這類末端設備。

4 建設船聯網的意義

規劃中的“中國船聯網”由多個區域中心組成，其中有1 個數據中心，1 個或多個備份數據中心，其余為接入及服務區域中心，這種架構符合當前我國船舶屬地管理的客觀情況和云計算的技術架構。每個區域中心主要負責中心范圍內各類船舶的互聯，并將這些信息聯通、共享，形成覆蓋全國的網絡。區域中心設立在條件合適的城市。

發展船聯網符合國家的物聯網戰略，是國家戰略性新興產業的重頭戲——“云計算”這一新興信息技術應用的具體體現，具有廣闊的前景，可以發展成行業云計算中心、行業數據托管中心、行業門戶網站。

船聯網不再是自我封閉的船舶監控調度系統，而是采用開放的、可持續發展的互聯網、云計算的架構，基于專業市場，面向全社會提供服務。船聯網服務對象有了很大的延伸：由原來的政府船舶管理機構擴展到漁民、船老板、漁老板、漁民家屬、船舶運輸業相關群體、游艇、水上運動、旅游休閑、商務接待等各類服務對象。船聯網接入對象克服了屬地管理、條塊分割管理的問題，能夠將各類船舶接入，使得信息得以充分共享，創造價值。船聯網提供的服務有很大的擴展：從重點面向大型作業船只的安全救援服務、有限信息服務擴展到面向各類船只的安全服務、調度指揮、電子商務、信息服務等應用的管、控、營一體化服務，并且能夠以全新的船易通方式獲得服務。船聯網的發展與國家的物聯網戰略相一致，是國家戰略性新興產業中的重要組成部分，可以成為中國物聯網的行業數據中心，行業云計算服務中心、數據托管中心等。

船聯網是現有船舶管理系統的一次重大進化，從圖1可以看出，原來的船舶管理系統中的船載設備進化為“船感器”，獲得服務的手段進化為“船易通”，這使得原有的各種設備虛擬化，手段多樣化，使用移動化：當一個設備接入到船聯網中，那么這個設備就被虛擬化，可以被船聯網用戶調用。舉例來說，船易通通過無線網絡和服務中心相連，可以使用中心提供的北斗信道、移動互聯網信道，AIS信道和船舶聯通；而船舶上的船感器可能只需要有一種信道的能力，比如移動互聯網信道，其就可以通過中心使用北斗、AIS和其他船舶互聯，手段得到很大的擴展，而且也不必正襟危坐在監控值班室使用，只是要打開船易通就可以了。

這樣，船聯網帶來了全新的安全管理控制，之前的船舶需要依賴自身大量的設備才能保證安全，現在可以利用強大的船聯網實現過去無法想象的功能：比如不僅僅靠AIS避碰，船聯網可以幫你避碰，中心可以告訴你周邊船舶的信息，提醒你碰撞的風險。船感器可以把更多的信息傳回來，比如AIS岸臺收不到的信息，可通過船聯網的其他通道傳回，能夠大大延伸距離較短的手段的使用范圍，創造新的應用模式。船聯網建成后，可以依托中心創建各類新型的應用，其局限僅僅是在于我們想象力的限制，這就是網絡的力量、系統的力量。

因特網的一大功能就是使得信息的獲取更容易，獲得的信息又非常豐富，極大地改變了人們的生活。船聯網也是這樣，將改變船上的人、陸地關聯人群的信息獲取和溝通方式。以往船舶出行后是沒有音訊的，要靠拜菩薩、靠運氣，有了短波這種手段之后，有所改善。而船聯網的出現，將使得船舶的通信一步跨入互聯網時代，通過船感器、船易通，不但提供語音和短信的溝通，而且船聯網將因特網上流行的QQ 式聊天通信，Web頁式信息獲取，微博形式的社交網絡通信帶給船上的人群和陸地的關聯人群。這將給他們的生產、生活帶來極大的便利。

5 船聯網建設內容

基于北斗導航系統的船聯網系統架構如圖3所示。

圖3 船聯網系統架構示意圖

由圖3 可知，基礎標準及協議為船聯網的基礎，其上有“船”、“聯”、“網”三個組成部分，構成了整個系統。

“船”是指符合船聯網標準和協議的中遠海北斗船載終端、北斗AIS船載終端、近海船載終端等船感器和末端設備，統稱為船感器。

“聯”包括北斗衛星空間和地面站網絡系統、AIS地面基站及網絡系統、移動通信基站和網絡系統等網絡設施。

“網”的內涵可分為兩部分：一部分是匯聚各類“船”和“網”的信息，并為具體的應用提供操作、數據交換和統一管理的船聯網公共服務平臺，這個平臺也可以看成是船聯網的中間件，為各類具體應用提供服務；另一部分是各類基于平臺的應用，一類是面向漁業經濟的應用示范，另一類是服務于其他行業的應用示范，如面向游艇旅游的船聯網應用示范等。這些應用直接面對各類船聯網用戶，其重要性不言而喻。面向漁業經濟的應用示范就是利用船聯網滿足漁民、漁民家屬以及產業鏈上各類人員之間的溝通、交易需求，是非常重要的應用方向，廣大的漁民、漁民家屬、利益相關者對船舶的位置、航行的氣象，主管部門的政策信息、軍事單位發布的臨時管制，漁業市場的交易信息等非常關注，提供web方式及船易通方式的船聯網服務是示范應用的一個重頭戲，船易通具有良好的便攜性，能夠進一步拓寬船聯網在時間、空間上的應用強度。

5.1 系列船聯網船感器

船感器是船聯網的重要組成部分，在船聯網中擔負著船舶信息的采集、信息的顯示、信息的發送和接收、船上人員的交互等關鍵任務，船感器既是感知的一部分，也是網絡的一部分。船感器包含兩個方面的研制工作：一是研發全新的船感器；二是在原有設備基礎上進行面向船聯網標準、協議、新功能需求的增強和改進，改進為船聯網船感器。

根據用戶的使用環境以及用戶的需求，可以將這些船感器分為以下幾類：中遠海船舶船載終端、近海船舶船載終端、北斗AIS終端等。

中遠海船感器適用于中遠海船舶，采用北斗專用芯片，實現基于北斗系統的定位和通信功能，同時兼容GPS系統，提高了系統的可用性；在大幅度提高產品集成度的同時，強調標準化及可靠性設計，從而進一步降低成本、提高可靠性；在環境適應性上充分考慮不同行業的要求，拓寬產品的適用范圍。

近海船感器主要應用于近海船舶、內河船舶，采用北斗二代系統和GPS衛星系統，實現組合定位。該終端能夠利用北斗二代系統的RDSS功能或移動通信功能，進行漢字和代碼通信，實現漁船的位置報告、緊急報警、以及短報文通信等有關信息的通信。

北斗AIS船感器適用于中遠海船舶，也可應用于內河，其特點是除了內置北斗功能外，還內置AIS Class-B 船舶自動識別系統的功能，可以將通過AIS Class-B 獲得本漁業船舶周圍最近的其他船舶的態勢信息。

5.2 移動監控設備/軟件

移動監控設備/軟件包括兩部分：北斗增強型接收機和“船易通”系列軟件。

5.2.1 北斗增強型接收機

北斗增強型接收機是基于北斗衛星的定位、通信、授時和基于位置的信息服務等技術開發的一款北斗接收機。該設備可管理的下屬北斗用戶機數量多、范圍大，可實時監控北斗系統覆蓋區域內授權用戶的定位信息和短報文通信信息。

北斗增強型接收機與北斗終端之間通信信息的互通，可以不通過北斗星通運營服務中心實現，而直接應用北斗系統的衛星鏈路，進行接收其轄屬北斗終端所發送的位置報告、報警和短報文通信等各種信息。1臺北斗增強型接收機能夠注冊轄屬北斗終端的基本數量為2 000臺，并且可以以2 000臺的倍數進行擴展，其擴展的最大容量為10 000臺。

5.2.2 “船易通”系列軟件

“船易通”是為個人或集團用戶提供位置與信息服務的一系列軟件。涵蓋了主流的桌面操作系統如Windows 系列，以及主流的移動平臺如Android及iOS（見圖4）。

圖4 “船易通”軟件

“船易通”利用移動通信網絡和北斗衛星資源，向用戶提供船舶短信互通、位置監控、航跡回放等功能。主要應用于海洋漁業安全生產、船位監控、增值信息發布等場景，為漁業管理部門、航運管理部門、漁業公司、船務公司、船東、岸上家屬等用戶提供基于位置的綜合信息服務。

根據用戶權限、功能及安裝使用的設備載體，船易通系列軟件有4種版本可供選擇。

（1）集團版

船易通集團版軟件基于北斗運營服務中心，通過因特網與北斗運營服務中心建立網絡連接，向船易通用戶提供船舶的位置監控、短信通訊、調位、航跡回放等功能。主要應用于海洋漁業安全生產位置監控，運輸船舶位置監控等領域，為船舶管理部門、航運管理部門、漁業公司、船務公司等用戶提供基于位置的綜合信息服務。

（2）個人版

船易通個人版軟件主要為漁民家屬及其他輕量級用戶提供基于位置的綜合信息服務。與集團版相比，其功能、性能相對簡單，使用成本也相對較低。

（3）暢聊版

船易通暢聊版是為智能手機提供北斗通信服務的版本，采用類似微信方式向海上的船載終端發送文字短消息。與個人版相比，暢聊版沒有電子海圖，主要提供船易通用戶與船載終端之間的短信互發功能，使用成本更低，滿足了僅有互通信息需求的用戶要求。

（4）PC版

船易通PC 版可安裝于Windows 操作系統，提供和集團版相同的功能。

5.3 船聯網公共服務平臺

公共服務平臺是船聯網的核心，以多種接入方式接入各種船舶，為各類客戶提供服務，同時還作為各地營業網點的數據集中管理和控制中心，要求有較強的容災備份能力，保障各類終端、平臺用戶、船易通用戶的運營服務；可支持的營業網點在線并發服務數量為200個。

平臺聯入網絡如圖5所示，其構成了船聯網統一通信平臺。

圖5 船聯網平臺聯入網絡示意圖

通過給各類設備和網絡制訂基礎通信標準，各種不同網絡的設備可以互聯互通，這是船聯網的重要功能，也是物聯網的典型特征，即把各種類型的傳感器聯結到一起，實現了對船的全面感知，實現物和物、物和人實時無縫互聯。船聯網克服了過去船舶管理手段單一，不同技術自成體系、無法互通互聯的弊病。

例如，接入到船聯網的船只之間能夠完成之前無法想象的溝通方式，如海事衛星可以和北斗聯通，北斗可以和AIS通信，等等。由此，船和船之間、船和中心之間，船聯網用戶和船之間有了豐富的聯接手段，形成了船聯網統一通信平臺，為給類船聯網應用奠定了基礎。

5.4 應用示范項目

本文以某個地區的船聯網漁業應用示范項目為例，該項目是把各類漁業船舶進行聯網后，依托該網發展漁業經濟的示范項目。

將全部漁船接入船聯網，可以利用船聯網將漁業生產者、漁船擁有者、漁產品經銷商、利益相關者、政府管理者通過網絡緊密聯系起來，提升政府的管理水平、服務水平；促進漁業交易，降低成本，提高生產效率。是我國漁業信息化歷史上首次在一個區域內全系統、全建制、全覆蓋地應用信息技術，滿足行業的具體需求。

另外，項目有兩方面的重要創新，一方面是推廣使用船易通軟件，這種全新的船聯網使用方式能夠有效降低船聯網的使用門檻，有很好的易用性，可提供一站式應用體驗，有效拓寬了船聯網在時間、空間上的應用強度；另一方面是推廣北斗增強型接收機，其可以不通過北斗運營服務中心，而直接應用北斗系統的衛星鏈路，接收其轄屬北斗終端所發送的位置報告、報警和短報文通信等各種信息，滿足移動執法船的需求。物聯網的一個重要問題就是如何更有效地提供面向各類用戶人群的應用。通用的PC 終端使用復雜、攜帶不便，以智能手機為代表的智能終端的興起讓我們看到便攜的、易用的智能終端產品對信息服務應用的巨大推動作用。因此，該項目為船聯網乃至物聯網的應用模式的探討提供了典型案例，具有重要的意義。

該示范應用項目的系統架構如圖6所示。

圖6 某地區船聯網漁業應用示范項目系統架構

6 典型應用案例

基于北斗衛星導航系統的船聯網服務于平安漁業建設，同時也為處理海上突發事務提供了可行、可靠和必要的技術保障手段，尤其是在一些涉外事務的處理過程中更是發揮了重要作用，例如2014 年發生的一系列事件：馬航MH370 失聯、越南撤僑、保衛981鉆井平臺等。

6.1 支撐越南撤僑工作

2014 年5 月13 日起，越南多地發生打砸搶燒外國企業的嚴重暴力事件，造成中國公民傷亡和財產損失，破壞了中越交流與合作的氣氛和條件。中方從17 號，啟動組織包機和輪船接回在越中方人員。5月18日凌晨3時，北斗終端陸續安裝在“五指山”、“銅鼓嶺”、“白石嶺”、“紫荊12”四艘輪船上。8 時50 分，“五指山”率先出發趕赴越南執行人員撤離任務。截至5 月19 日11 時50分，“五指山”輪等4 艘船舶先后抵達越南河靜省永安港執行人員撤離任務。5 月20 日，載著3566名在越中企人員的“五指山”、“銅鼓嶺”、“白石嶺”、“紫荊十二”等四艘滾裝客船陸續抵達海口港，北斗導航系統為此次撤僑任務提供通信技術保障，監控平臺24 小時跟蹤關注船舶動態，為確保撤離任務的順利進行提供了安全保障。圖7 為4艘客船在執行撤離任務的航跡回放匯總圖。

6.2 支撐馬航失聯客機搜救工作

2014 年3 月8 日凌晨，載有239 名乘客（含154名中國人）的馬航MH370航班在馬來西亞和越南的雷達覆蓋邊界與空中交通管制失去聯系。我國政府調集各方資源對失聯客機進行全方位搜索。安裝了北斗定位導航設備的中國海警3411 船是第一個趕到失聯海域的國內公務船。北斗運營服務系統確保了海警3411 船連續搜救147 小時、航行1 527 海里、搜索海域7 821 平方公里的實時船位動態監控，圓滿完成區域搜救任務。圖8為中國海警3411船在執行搜救任務過程的航跡回放。

圖7 越南撤僑任務航跡回放

圖8 馬航MH370搜救任務航跡回放

圖9 所示為中國海警3411 船上安裝的北斗相關的各類船感器。

圖9 中國海警3411船上安裝的船感器

6.3 981鉆井平臺守衛

2014年5月初，越南開始派船只干擾我981鉆井平臺的正常勘探、開采工作，中國政府緊急為海事巡邏船、漁船等護航船只安裝北斗船載終端，基于北斗的船聯網為管理部門跟蹤鉆井平臺附近船舶動態提供技術手段，為捍衛我國領海安全做出了突出貢獻。

圖10所示為981鉆井平臺附近船舶態勢。

圖10 981鉆井平臺附近船舶態勢

6.4 賽事支撐

北斗導航系統登陸帆船賽場，不僅滿足了賽事組委會對賽事的監控和安保，同時還滿足了觀眾的實時觀賽需求。

北斗導航定位服務作為2014 環海南島國際大帆船賽、2014 司南杯大帆船賽這兩個賽事信息化服務的一大亮點，全面保障了賽事的順利進行。除了為賽事組委會提供了帆船賽定制版的臺站監控平臺，滿足組委會監管和裁判評判的需求外，更是利用移動互聯網創新地加入了觀眾觀賽平臺，不能親臨賽場感受比賽的觀眾，足不出戶即可通過賽事官網，手機瀏覽器和下載帆船賽APP隨時關注各參賽船隊的實時動態。圖11 所示為參賽帆船上安裝的船感器。

圖11 帆船上安裝的船感器

使用北斗導航定位服務對于帆船賽來說是首創，帆船賽不同于傳統陸上運動，觀眾受場地限制，即使是身在賽場也不一定能掌握所有船隊的動態。有了這個觀眾觀賽平臺，帆船賽的觀眾參與性大大提高。

圖12所示為帆船賽船隊實時動態監控畫面。

圖12 帆船賽船隊實時動態監控

7 結語

船聯網將物聯網概念與技術引入到漁業安全生產領域，是一個全新的方向，具有一定的創造性和探索性。在物聯網產業蓬勃發展的背景下，針對漁業信息化服務領域的現狀與不足，結合政府、行業和公眾的各層次需求，確定船聯網的定位，并對需求的優先級有所排序。船聯網是一個涉及多行業、多部門、跨地域的復雜項目，必然涉及到業務的整合、數據的協同、原有系統的升級和整合、技術的選擇與使用，若缺少一個宏觀的、正確的總體架構，各項工作很難無縫整合在一起。必須從業務、數據、應用和技術幾個方面，開展船聯網的總體架構研究。基于北斗導航系統的船聯網開創了北斗在民用應用領域的新局面，整合和利用了包括衛星導航、Internet、移動互聯網等多項先進技術，打破了各行業應用領域的信息孤島，實現了資源的共享與融合，將物聯網的應用水平提高到了一個新的境界和高度。

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