船舶动力定位位置参考系统信息融合研究

摘要

随着陆上资源缩减与人口对资源需求增长的矛盾日益显现，开发和利用海洋资源已经是大势所趋，且不断走向深海和远海。传统的锚泊定位系统已无法满足定位作业的需求，越来越多的船舶或平台需要动力定位技术的支持。而且，伴随作业范围的不断扩大，对动力定位系统可靠性和准确性的要求也越来越高。动力定位船舶通常都配备位置参考系统。如何有效利用来自位置参考系统的位置测量值为动力定位控制器提供精确的位置信息是一个急需解决的问题。信息融合是一种将多源信息进行优化组合的技术手段，它可以充分利用不同信息之间的互补性，提高测量信息的精度和可信度，从而提高系统的可靠性。因此，对船舶动力定位位置参考系统信息融合的研究具有重要的现实意义。
　　本文主要完成如下研究工作:首先，建立了船舶水面三自由度运动数学模型，介绍了张紧索系统、水声定位系统、差分全球定位系统的测量原理，并建立了其相应的测量模型。然后，考虑到船舶动力定位系统的非线性特性，采用粒子滤波和无迹粒子滤波两种非线性滤波方法，对来自动力定位位置参考系统的船舶位置测量值进行滤波，为了验证两种滤波方法，在Matlab/Simulink环境下，进行了仿真试验，并对两种方法的滤波效果进行了比较，从仿真试验的结果可知，无迹粒子滤波方法的滤波效果要明显优于粒子滤波的滤波效果。最后，设计了多级联邦滤波器对滤波后的船舶位置信息进行融合。多级联邦滤波器中的子滤波器使用无迹粒子滤波方法对船舶位置测量值进行滤波，主滤波器利用子滤波器的滤波值和估计误差协方差阵的信息进行逐层融合，最终得到最优的船舶位置融合值。在同样环境下对所设计的多级联邦滤波器进行了仿真试验，仿真结果表明所设计的多级联邦滤波器可以对船舶位置信息进行较好的融合，提高了船舶位置测量的准确性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 船舶动力定位位置参考系统信息融合国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 船舶水面三自由度运动数学模型和位置参考系统测量模型

2．1 船舶水面三自由度运动数学模型

2．1．1 船舶运动坐标系

2．1．2 船舶低频运动模型

2．1．3 船舶高频运动模型

2．2 位置参考系统测量模型

2．2．1 张紧索位置参考系统测量模型

2．2．2 水声位置参考系统测量模型

2．2．3 差分全球定位系统测量模型

2．3 本章小结

第3章 船舶动力定位位置参考系统的位置信息滤波

3．1 粒子滤波

3．1．1 贝叶斯滤波

3．1．2 贝叶斯重要性采样和序贯重要性采样

3．1．3 粒子滤波算法

3．2 无迹粒子滤波

3．2．1 无迹卡尔曼滤波

3．2．2 无迹粒子滤波算法

3．3 PF和UPF在动力定位船舶位置信息滤波中的应用

3．4 仿真研究

3．5 本章小结

第4章 基于联邦滤波器的位置参考系统信息融合

4．1 多级联邦滤波器

4．1．1 联邦滤波器的结构

4．1．2 联邦滤波器的算法

4．1．3 多级联邦滤波器的算法

4．2 位置参考系统多级联邦滤波器设计

4．2．1 多级联邦滤波器的子滤波器设计

4．2．2 多级联邦滤波器的主滤波器设计

4．3 仿真研究

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢