【摘要】：動力定位(Dynamic Positioning,DP)船的非線性狀態(tài)估計(jì)對船舶完成海上精確作業(yè)起著重要作用。然而DP船狀態(tài)估計(jì)過程中主要面臨以下干擾:1、由于電磁干擾,熱噪聲及宇宙噪聲普遍存在并與狀態(tài)呈加性關(guān)系,這類干擾被稱為加性噪聲干擾,由于狀態(tài)之間具有遞推關(guān)系,故加性狀態(tài)噪聲具有自相關(guān)性,同時傳感器測量值根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)得到,故加性測量噪聲也具有自相關(guān)性,又由于傳感器與DP船在同一噪聲環(huán)境下工作,故加性測量噪聲和加性狀態(tài)噪聲之間又具有互相關(guān)性。2、系統(tǒng)模型參數(shù)及噪聲干擾統(tǒng)計(jì)特性的精確值很難獲得,且由于通信故障,電磁干擾等原因,測量值具有隨機(jī)丟失現(xiàn)象,這類干擾稱為參數(shù)不確定性干擾。3、由于復(fù)雜海洋環(huán)境下海況的變化及系統(tǒng)時變性等未建模干擾,會使系統(tǒng)出現(xiàn)隨信號變化的干擾,這些干擾用乘性噪聲干擾表示。以上干擾都會影響DP船狀態(tài)估計(jì)精度,另外DP船一般配置冗余的傳感器單元,多傳感器下的狀態(tài)估計(jì)融合值要比單傳感器下估計(jì)值更加精確。因而為了提高存在干擾時的狀態(tài)估計(jì)精度,本文開展了DP船非線性狀態(tài)估計(jì)及融合算法研究。論文的主要工作有:首先針對DP船狀態(tài)估計(jì)中存在如上所述的加性互相關(guān)噪聲、參數(shù)不確定性以及乘性噪聲等干擾,本文在以上干擾之間無相關(guān)性的情況下,基于DP船連續(xù)時間狀態(tài)空間模型,分別建立了加性互相關(guān)噪聲、乘性噪聲以及隨機(jī)測量丟失下的DP船離散時間非線性模型。其次針對DP船加性測量噪聲和加性狀態(tài)噪聲具有一步自相關(guān)兩步互相關(guān)性,分別研究了加性互相關(guān)噪聲下DP船單自由度直航狀態(tài)估計(jì)方法以及三自由度非線性狀態(tài)估計(jì)方法。一方面,在DP船單自由度直航模式下,通過設(shè)計(jì)互相關(guān)噪聲下線性狀態(tài)估計(jì)方法來解決船舶的艏向角和回轉(zhuǎn)率的狀態(tài)估計(jì)問題。另一方面,在三自由度運(yùn)動形式下,通過設(shè)計(jì)互相關(guān)噪聲下的貝葉斯估計(jì)算法,并基于容積規(guī)則,提出了互相關(guān)噪聲下的容積卡爾曼濾波器,解決了互相關(guān)噪聲下船舶三自由度非線性狀態(tài)估計(jì)問題。再次針對DP船參數(shù)不確定性,研究了系統(tǒng)模型參數(shù)不確定下的非線性狀態(tài)估計(jì)算法,提出了容積平滑變結(jié)構(gòu)濾波器及平方根容積平滑變結(jié)構(gòu)濾波器,容積規(guī)則提高了估計(jì)精度,平方根形式保證了算法的穩(wěn)定性;針對DP船加性測量噪聲統(tǒng)計(jì)特性未知的情形,提出了變分貝葉斯-變結(jié)構(gòu)濾波器,變分貝葉斯實(shí)現(xiàn)了噪聲統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì),提高了變結(jié)構(gòu)濾波器中平滑邊界層的精度,解決了加性噪聲統(tǒng)計(jì)特性未知下的DP船非線性狀態(tài)估計(jì)問題;針對DP船測量隨機(jī)丟失及加性有色噪聲干擾,設(shè)計(jì)了有色噪聲和隨機(jī)測量丟失下的高斯濾波框架,并提出了基于容積規(guī)則的容積混合卡爾曼濾波器,解決了測量隨機(jī)丟失和加性有色噪聲下的DP船非線性狀態(tài)估計(jì)問題。最后針對DP船乘性噪聲和加性相關(guān)噪聲干擾,研究了多傳感器乘性噪聲下的DP船非線性狀態(tài)估計(jì)及融合方法。對單傳感器系統(tǒng),提出了互相關(guān)噪聲下平滑變結(jié)構(gòu)濾波器,解決了單傳感器乘性噪聲下的DP船非線性狀態(tài)估計(jì)問題;對多傳感器系統(tǒng),由每一個子傳感器狀態(tài)估計(jì)值隨機(jī)生成訓(xùn)練集和測試集,然后對每一個狀態(tài)變量分別構(gòu)造對應(yīng)的支持向量機(jī)回歸模型,提出了基于多回歸型支持向量機(jī)模型的多傳感器融合算法,解決了乘性噪聲下的非線性狀態(tài)估計(jì)及融合問題。
【圖文】：

圖1.1 CUSS 1 號動力定位船F(xiàn)ig.1.1 CUSS 1 Dynamic Positioning ships圖1.2 錨泊系統(tǒng)示意圖Fig.1.2 Mooring system diagram是一種依靠自動控制設(shè)備進(jìn)行的船舶定位技術(shù)，該具有較好的機(jī)動性[1]。因而，，DP 船在研發(fā)之處就贏包括船舶艏向控制、船舶在北東坐標(biāo)下的定點(diǎn)定位

圖1.1 CUSS 1 號動力定位船F(xiàn)ig.1.1 CUSS 1 Dynamic Positioning ships圖1.2 錨泊系統(tǒng)示意圖Fig.1.2 Mooring system diagram船舶 DP 技術(shù)是一種依靠自動控制設(shè)備進(jìn)行的船舶定位技術(shù)，該技術(shù)可以完全不受水深的影響，并且具有較好的機(jī)動性[1]。因而，DP 船在研發(fā)之處就贏得了人們的青睞。DP 船的基本功能包括船舶艏向控制、船舶在北東坐標(biāo)下的定點(diǎn)定位以及船舶航向航跡的控制三個方面。隨著船舶 DP 技術(shù)發(fā)展，DP 船應(yīng)用領(lǐng)域也開始遍布海洋鉆探，海底鋪管，地質(zhì)規(guī)劃和海底測繪等，與此同時一些貨輪等民用船舶也開始裝備 DP 設(shè)備，DP船已經(jīng)成為人們進(jìn)行各種海洋活動的重要選擇。國際海事組織（International Maritime Organization
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN713;U661.44

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2622591