动力定位模拟器中数据处理及故障模拟技术

摘要

建设现代化经济体系，建设海洋强国首要前提就是海洋经济要高程度地发达。工欲善其事，必先利其器。更先进的海上机械设备是海洋开发的先决条件。动力定位系统能够使船舶尽可能地保持在要求的位置，主要采取了辅助推力等手段来提供抵消流、风、浪等作用在海上器械上的环境力。由于实船培训成本高、周期长、且风险 较大，开发动力定位模拟器以满足人员培训等要求具有重要的意义。
　　本课题主要开发动力定位模拟器中的数据处理及故障模拟技术。首先研究了动力定位系统中所装配的传感器系统，并对位置传感器中GPS、水声定位等系统的数据噪声进行模拟;其次应用数据融合技术，对多组传感器模拟数据进行处理融合;基于此对模拟器中模拟信号的故障模式进行模拟;最终使用C++语言对噪声模拟，数据融合技术和故障模拟程序进行实现，并验证其效果。
　　本文完成的主要工作如下:
　　(1)通过仿真实验得到水平精度因子(HDOP)和用户等效伪距误差(UERE)等参数，计算出噪声的特征值，使用圆概率误差方法对GPS、水声定位系统等数据噪声进行模拟。通过仿真实验与实际数据相比较，得到了不错的效果。
　　(2)通过Matlab实验对比了卡尔曼滤波(KFM)和无迹卡尔曼滤波(UKF)两种滤波算法在动力定位系统中的滤波效果，应用自适应野值检测技术，UKF滤波技术，自适应加权融合算法对噪声数据进行处理、融合，实验对比结果效果显著。
　　(3)依照DNV对动力定位模拟器模拟数据故障的要求，编程实现了系统中的故障模拟程序，并验证了融合算法的容错性能。
　　本文的噪声模拟模块能模拟实现动力定位位置传感器噪声的大小及分布特性，数据处理及融合模块能对带有误差的多种传感器数据进行处理、融合，不仅提高了数据的精度而且具有较高的容错性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题的背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 动力定位系统及模拟器的国内外现状

1．2．2 噪声模拟的国内外现状

1．2．3 数据融合技术的国内外现状

1．3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 理论基础

2．1 GPS定位误差的产生原理

2．1．1 伪距误差

2．1．2 精度因子

2．2 水声定位误差的产生原理

2．3 切比雪夫拟合

2．4 卡尔曼滤波

2．5 无迹卡尔曼滤波

2．6 本章小结

第3章 动力定位模拟器中位置传感器噪声的模拟

3．1 GPS位置传感器噪声的模拟

3．1．1 GPS定位误差特征值

3．2 水声定位传感器误差的模拟

3．2．1 水声定位误差特征值

3．3 其他传感器系统

3．3．1 Artemis微波位置参考系统

3．3．2 张紧索系统

3．3．3 激光位置参考系统

3．4．1 误差分布的精确度量

3．4．2 同心圆环内均匀分布的二维随机变量的密度函数及其性质

3．4．3 实验及结论

3．5 小结

第4章 多传感器数据处理及融合

4．1 故障检测技术

4．1．1 自适应野值检测

4．2 多传感器数据滤波技术

4．2．1 动力定位模拟器中滤波算法的实验算法比较

4．2．2 实验对比结果及算法总结

4．3 多传感器数据融合

4．3．1 自适应加权融合算法

4．3．2 各传感器方差的求取

4．3．3 实验结果分析

4．4 本章小结

第5章 故障系统与实现

5．1 位置传感器系统中故障模拟程序的实现

5．1．1 故障模式——随机噪声(Random Noise)

5．1．2 故障模式——数据漂移(Drift)

5．1．3 故障模式——数据偏差(Bias)

5．1．4 故障模式——数据震荡(Oscillation)

5．1．5 故障模式——数据冻结(Freeze)

5．2 对动力定位传感器数据融合程序容错性能的验证

5．3 和DP模拟软件的集成

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介