船舶运动姿态在线预报及仿真技术研究

摘要

大型舰船在海浪中航行受到海浪、海风等环境因素干扰，不可避免地产生摇摆，尤其在恶劣的海况条件下，对舰船的海上作业造成很大的安全隐患。如果能提前几秒或十几秒预报出舰船或航母的运动趋势，将对舰载机起降作业指导和补偿、舰船减摇控制、舰载导弹发射等具有重大意义。 舰船在海浪中运动姿态预报一般是指极短期预报，或称实时预报，它是利用某种理论和技术预测出舰船在未来较短时间内(3-10秒)的运动姿态。论文在查阅大量国内外资料并结合国内实际情况的前提下开展工作的，本文工作主要进行了以下研究： 首先，对国内外多种预报方法进行了研究比较。通过对舰船运动姿态统计分析，以及对ARMA模型和AR模型等价性论证，确定了AR模型作为船舶姿态运动预报的数学模型。进一步对AR模型参数估计做了深入研究，采用递推最小二乘方法对AR模型、CAR模型参数进行估计，实现了模型参数实时在线估计和修正。对AR模型参数估计的统计特性进行了研究，提出AR模型参数估计的置信度及置信区间，基于概率论推导出置信区间的计算公式。论证了AR模型参数估计的渐近性。文中分别采用基于舰船姿态观测的AR模型，和基于艏前波观测的CAR模型，对舰船运动姿态实时预报方法进行了仿真研究。 在预报方法方面，基于投影理论推导出AR模型的递推预报算法和一次直接预报算法。在建模定阶方法方面，对隅角定阶方法进行了算法改进，使该算法简单、实时性好，并与AIC准则定阶算法做了比较，验证了该方法的有效性。应用上述方法，针对某实船进行了舰船运动姿态预报仿真，通过对预报方法、预报结果分析得出了有实用价值的结论。 其次，为配合舰船运动在线预报仿真系统研制，研究了舰船姿态运动数字仿真方法。应用切片理论建立了在规则波作用下的船舶纵向运动模型，提出应用海浪谱加权平均方法，对船舶纵向运动模型水动力系数进行修正，建立了在随机海浪作用下的船舶纵向运动数学模型。提出应用谱拟合方法，建立了海浪扰动成型滤波器，对海浪扰动力及扰动力矩进行了建模。将海浪扰动成型滤波器作为船舶纵向运动系统一部分，建立了船舶增广纵向运动方程。求解方程产生了船舶纵向运动历程。 在此基础上设计舰船在线预报半物理仿真系统。包括模拟船舶运动的三自由度仿真平台设计；三自由度平台计算机控制系统设计；提出采用捷联式方法实现船舶姿态运动测量，并完成了工程设计和理论分析；运动测量数据解算方法研究；及与预报计算机之间的通讯技术研究等。最后应用该半物理仿真系统进行了预报仿真实验，实验结果表明，该系统预报长度可达8.68秒，预报精度满足要求，可实现在线预报。应用仿真系统可模拟不同海况下舰船运动及运动预报序列，为实船应用做好充分准备。

目录

文摘

英文文摘

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

第2章自回归(AR)模型的建模方法

第3章基于AR模型的舰船运动姿态预报方法

3.1 AR模型的递推预报方法

3.2 AR模型的一次直接预报方法

3.3基于艏前波观测的舰船姿态运动建模预报方法(CAR方法)

3.4本章小结

第4章舰船运动数字仿真

第5章舰船运动在线预报半物理仿真系统

5.1半物理仿真系统组成

5.2舰船运动三自由度仿真平台

5.3船舶运动测量系统

5.4船模试验分析

5.5实时串行通讯技术

5.6半物理仿真系统实验结果

5.7本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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