基于模型的船舶动力定位系统的研究

【摘要】针对Fossen提出的船舶数学模型，设计出基于模型的船舶动力定位系统的控制。在纵荡方向采用单输入单输出内模控制算法，在横荡和艏摇方向采用双输入双输出的内模解耦控制算法。并结合MATLAB的仿真，实际的验证该种方法的可行性。

【关键词】内模控制；解耦控制；船舶动力定位

1.引言

船舶动力定位系统是指在有风、浪、流干扰的情况下，不借助锚泊系统，利用自身的推力器系统使船舶保持一定的位置和航向（定点保持），或者按预定的运动轨迹运动（轨迹跟踪）的闭环控制系统[1]。其主要由测量系统、控制系统和推力系统三个部分构成，如图1所示。

图1 动力定位系统框图

位置测量系统：测量船舶相对设定点的位置。主要由定位参考单元（水声定位系统、张紧索、差分GPS等）、艏向测量单元（电罗经等）、环境参考单元（多普勒测风仪）和垂直参照单元（惯性测量单元等）组成。

控制系统：根据外部环境所采集回来信息计算出控制船舶所需要的作用力。

推力器系统：产生所计算的作用力，并且分配需要，将力所对应的转速分配到船舶的各个螺旋桨。

早期以PID控制为主，其控制器属于事后控制，有明显的时滞和响应速度的局限性，很难适用于复杂多变的海洋环境。Kalman滤波和最优控制相结合形成的线性二次高斯型LQG控制技术，虽然在现代商用船舶中得到了广泛的使用，但对船舶模型的精确度要求比较高，状态递推计算计算工作量比较大[2]。模型参考自适应控制（DMRAC控制）是含有理想系统模型并以模型的实际工作状态自行的调整参数的适应控制系统，在船舶动力定位的系统中实现比较容易，自适应速度快，但是对于强非线性或者变化比较快的情况下很难维持期望的控制效果[2]。反步法是将发复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个系统设计部分V函数和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成完成整个控制的设计[3]，但是其设计构造的V函数，还缺乏比较系统的方法。本文根据Fossen所提出的船舶数学模型，提出了根据数学模型设计控制器的内模控制，并结合MATLAB仿真证明所提出的内模控制是可以满足其控制需求的。

2.内模控制原理

海洋船舶北斗定位导航系统解决方案

海洋船舶北斗定位导航系统解决方案华云科技有限公司 2013年10月

目录一、综述...................................................................................................... 错误!未指定书签。二、系统解决方案 ...................................................................................... 错误!未指定书签。（一）设计目标与原则............................................................................. 错误!未指定书签。 1.设计目标 ................................................................................... 错误!未指定书签。 2.设计原则 ................................................................................... 错误!未指定书签。（二）总体方案设计................................................................................. 错误!未指定书签。 1. 卫星导航运营中心 ......................................................................... 错误!未指定书签。 2. 岸端监控中心 ................................................................................. 错误!未指定书签。 3. 船载北斗定位导航终端 ................................................................. 错误!未指定书签。（三）岸端监控中心功能设计................................................................. 错误!未指定书签。 1.岸船信息互通 ........................................................................... 错误!未指定书签。 2.位置监控 ................................................................................... 错误!未指定书签。 3.应急调度 ................................................................................... 错误!未指定书签。 4.船舶报警 ................................................................................... 错误!未指定书签。 5.增值信息服务 ........................................................................... 错误!未指定书签。 6.系统管理 ................................................................................... 错误!未指定书签。 7.系统接口 ................................................................................... 错误!未指定书签。（四）船载北斗定位导航终端................................................................. 错误!未指定书签。 1.主要特点 ................................................................................... 错误!未指定书签。 2.终端功能 ................................................................................... 错误!未指定书签。 3.主要性能指标 ........................................................................... 错误!未指定书签。（五）硬件环境要求................................................................................. 错误!未指定书签。 1. 主机存储 ......................................................................................... 错误!未指定书签。 2. 网络................................................................................................. 错误!未指定书签。 3. 系统支撑软件 ................................................................................. 错误!未指定书签。三、系统造价 .............................................................................................. 错误!未指定书签。（一）概算一（终端含屏及本地导航） ........................................... 错误!未指定书签。（二）概算二（终端不含屏） ........................................................... 错误!未指定书签。

动力定位船舶的非线性观测器设计

第37卷第6期　2003年6月上海交通大学学报 JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y V o l .37N o.6　 Jun .2003　收稿日期:2002205223 作者简介:何黎明(19762),男,浙江东阳人,博士生,主要从事船舶动力定位系统的研究.田作华(联系人),男,教授, 电话(T el .):021*********;E 2m ail :zh tian @sjtu .edu .cn 文章编号:100622467(2003)0620964205 动力定位船舶的非线性观测器设计何黎明,　田作华,　施颂椒 (上海交通大学自动化系200030) 摘　要:针对动力定位船舶设计了一个非线性观测器,该观测器的全局收敛性通过李亚普诺夫稳定性定理得到了证明.观测器的最大优点是可以省略采用Kal m an 滤波器时线性化船舶运动方程的过程.该非线性观测器可以从附有测量噪声的输出中估计到船舶低频位置和运动速度以及环境扰动作用力,同时也能从输出信号中滤除一级波浪引起的船舶高频运动.该非线性观测器的性能通过对一动力定位船舶模型的仿真得到了验证. 关键词:动力定位;船舶;非线性观测器;滤波器中图分类号:U 661.338 文献标识码:A A Nonline a r O bs e rve r D e s ign fo r D ynam ic P os itioning S hip H E L i 2m ing ,　T IA N Z uo 2hua ,　S H I S ong 2j iao (D ep t .of A u tom ati on ,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina ) A bs tra c t :A non linear ob server w as derived fo r dynam ic po siti on ing system .T he global exponen tial stab il 2 ity of ob server w as p roven u sing L yapunov m ethods .T he m ain advan tage of the non linear design to Kal m an filter is that the k inem atic equati on s of m o ti on need no t be linearized .T he p ropo sed ob server in 2cludes an esti m ati on of bo th the low 2frequency po siti on and velocity of the sh i p from no isy po siti on m ea 2su rem en ts ,environm en tal distu rbance and w ave filering .T he si m u lati on resu lts show the excellen t perfo r 2m ance of the non linear ob server . Ke y w o rds :dynam ic po siti on ing ;sh i p s ;non linear ob server ;filter 随着人们对海洋开发和探索范围的广泛深入, 动力定位(D P )系统越来越受到人们的重视.D P 系统能够使受到海浪、流、风等作用力影响下的海洋浮式结构物保持需要的角度和位置,该系统从20世纪60年代开始已经应用在海洋船舶上.最早的设计采用了传统的P I D 控制器级联低通或陷波滤波器的方法,80年代后,基于Kal m an 滤波器和最优控制理论的方法开始应用于D P 系统中[1～3]. 船舶在海面上的综合运动一般分为由风、流、二级波浪、推力器组成的低频运动和一级波浪组成的高频运动.由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变,为了避免不必要的能量浪费和推力器的磨损,一般从船舶测得的综合位置信号分离出低频信号进行控制.而船舶传感器系统只能提供带有测量噪声的船舶位置和艏摇角度,且运动速度不可测,必须通过状态估计得到,因此,滤波和状态估计在动力定位系统中起着非常重要的作用.目前,D P 系统中经常采用线性Kal m an 滤波器,该方法的主要缺点是必须将船舶运动的动力学方程在一些给定的艏摇角度值上线性化,一般将整个包线划分为36个工作点.对于每个线性化后的模型,再应用最优Kal m an 滤波器和反馈控制.因为系统拥有15个状态变量,所以采用上述方法时系统的在线计算量很大,而且其中的很多协方差值很难调整.

船舶动力定位系统控制技术的发展与展望

科技创新随着人类向深海进军，动力定位系统（dynamic position- ing,DP）越来越广泛地应用于海上作业船舶（海洋考察船、半潜船等）、海上平台（海洋钻井平台等）、水下潜器(ROV)和军用舰船（布雷舰、潜艇母船等）。它一般由位置测量系统，控制系统，推力系统三部分构成。位置测量系统（传感器）测量当前船位，控制器根据测量船位与期望值的偏差，计算出抗拒环境干扰力（风、流、浪）使船舶恢复到期望位置所需的推力，推力系统进行能量管理并对各推力器的推力进行分配，推力器产生的推力使船舶(平台)在风流浪的干扰下保持设定的航向和船位。动力定位系统的核心是控制技术，它标志着动力定位系统的发展水平。动力定位控制技术的发展计算机技术，传感器和推进技术的发展，无疑给动力定位系统带来了巨大的进步，但是真正代表动力定位技术发展水平的还是控制技术的发展。至今动力定位控制技术已经经历三代，其特点分别是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论在动力定位控制技术中的应用。对应的是第一，二，三代动力定位产品。进入九十年代以后，智能控制方法在动力定位系统获得广泛应用，逐步形成了第三代动力定位系统。Katebi等在 1997年,Donha和Tannuri2001年研究了基于鲁棒控制的控制器，1998年，Thor I.Fossen做了全比例实验，采用李亚普洛夫设计被动非线性观测器。非线性随机过程控制方法的应用以及欠驱动控制逐渐成为研究的热点。神经网络，模糊控制，遗传算法等等理论给动力定位系统控制器的研究开辟了一片新的天地。国内外常用的动力定位控制技术 1.PID控制早期的控制器代表类型，以经典的PID控制为基础，分别对船舶的三个自由度：横荡，纵荡，艏摇进行控制。风力采用风前馈技术。根据位置和艏向偏差计算推力大小，然后确定推力分配逻辑产生推力，实现船舶定位。这种方法在早期曾取得成功。但是它有不可避免的缺陷：一是除了风前馈以外，位置和艏向控制都不是以模型为基础的，属于事后控制，控制的精度和响应的速度都有局限性；二是若在PID控制器的基础上，采用低通滤波技术，可以滤除高频信号，但它却使定位误差信号产生相位滞后。这种相位滞后限制了可以用于控制器的相角裕量，因此滤波效果越好，则对控制器带宽和定位精度的限制就愈大；三是PID参数难以选择，一旦海况和船体有变化，PID参数将不得不重新选择。 2.LQG控制 Kalman滤波和最优控制相结合形成了线性二次高斯型 LQG控制（Linear Quadratic Guass），基于LQG控制的第二代动力定位系统应用非常广泛。现代较多商用船舶的DP系统都是采用的这种控制方式。 Kalman滤波器或扩展Kalman滤波器接收测量的船舶运动综合位置信息，实现以下功能:1)滤除测量噪声和船舶高频运动信号；2)给出船舶低频运动的状态估计值，该估计值反馈提供给LQG最优控制器；3)状态递推，实时修正低频估计值，在传感器故障无数据时，系统也能正常运行一段时间。由于采用Kalman滤波或扩展Kalman滤波,取样和修正能在同一个周期内完成,因而解决了控制中存在的由于滤波而导致的相位滞后问题。LQG控制在节能、安全、鲁棒性能上都有比较大的进步。控制精度和响应速度满足了大部分需求。但它也有如下缺点：一是模型不够精确。动力定位系统设计时,是在假设一系列固定的艏摇角度(一般线性化为36个艏摇角,从0°到360°,间隔为10°)或者假设艏摇很小（采用小角度理论）的基础上对运动方程进行线性化而获得的模型。而实际的船舶定位过程是一个复杂的高度非线性的过程。上述假设条件势必带来误差；二是计算工作量比较大。船舶动力定位系统控制技术的发展与展望余培文陈辉刘芙蓉摘要：船舶动力定位是深海开发的关键技术之一，随着海上油气生产向深海的发展，动力定位系统会更受重视，对控制技术也会提出更高的要求。本文简要介绍了动力定位控制技术的发展过程以及一些代表性的控制技术在动力定位中的应用，包括PID控制，最优控制，模型参考自适应控制，反步法，模糊控制，神经网络等，最后对动力定位控制技术的发展热点做了展望。关键词：动力定位控制技术展望 44 CWT中国水运2009·2

海洋船舶北斗定位导航系统解决方案

海洋船舶北斗定位导航系统解决案华云科技有限公司 2013年10月

目录一、综述 (3) 二、系统解决案 (4) （一）设计目标与原则 (4) 1.设计目标 (4) 2.设计原则 (5) （二）总体案设计 (5) 1. 卫星导航运营中心 (6) 2. 岸端监控中心 (7) 3. 船载北斗定位导航终端 (7) （三）岸端监控中心功能设计 (8) 1.岸船信息互通 (8) 2.位置监控 (8) 3.应急调度 (8) 4.船舶报警 (9) 5.增值信息服务 (10) 6.系统管理 (10) 7.系统接口 (11) （四）船载北斗定位导航终端 (12) 1.主要特点 (12) 2.终端功能 (13) 3.主要性能指标 (18) （五）硬件环境要求 (18) 1. 主机存储 (18) 2. 网络 (19) 3. 系统支撑软件 (19) 三、系统造价 (21) （一）概算一（终端含屏及本地导航） (22) （二）概算二（终端不含屏） (23)

一、综述最古老的航海导航的法是罗盘和星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的位；最早的导航仪是中国人发明的指南针,后来发展成一直为人类广泛应用的磁罗经。在随后的两个世纪里，人类通过综合利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。卫星技术应用于海上导航可以追溯到20世纪60年代的第一代卫星导航系统Transit,但是它有不连续导航、定位的时间间隔不稳定等缺点。GPS 系统的出现克服了Transit系统的局限性,而且提高了定位精度、可进行连续的导航、有很强的抗干扰能力，取代了陆基无线电导航系统,在航海导航中发挥了划时代的作用。 2000年我国建成北斗卫星导航试验系统，中国成为第三个拥有自主卫星导航系统的。截至2012年底，北斗卫星导航系统已经成功发射16颗卫星，并组网运行，形成区域服务能力。目前在北京、、、乌木齐等地区，中国卫星导航定位精度可达7米，在东盟等低纬度地区，定位精度可达到5米左右。随着新一代北斗导航卫星的发射，以及在技术以及管理上的诸多创新,北斗卫星导航精度有望继续提高。在大力扶持与推动下，国北斗卫星导航系统建设和应用如火如荼。在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、电力调度、救灾减灾和安全等领域得到广泛应用。党的十八大提出建设“海洋强国”的战略部署，科技部“导航与位置服务科技十二五专项规划”中，提出了"十二五"末导航与位置服务产

船舶动力定位技术简述

1.动力定位技术背景 1.1 国外动力定位技术发展目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。 1．动力定位控制系统 1)测量系统测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。 2)控制技术 20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。 20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。 2001 年5 月份，挪威著名的Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统（Green DP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤：1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]：图1.1Green-DP总体控制图

动力定位 (修复的)

船舶动力定位系统模型摘要随着油气开采逐渐向深海发展,传统的一般的锚泊系统已经不能满足深海地域定位作业要求，动力定位因其在深海作业中无可替代的优势而被越来越广泛的应用。本文给出了简单的深海作业船舶外载荷的计算，建立了简单的船舶动力定位系统模型。关键词动力定位外载荷计算动力分配与优化引言由于海洋开发的不断深入和地域的扩展，传统的一般的锚泊系统已经不能满足深海地域动力定位作业要求，但是船舶动力定位系统能够好的满足这一要求。以前，船舶在浅海作业时，如果要求船舶的位置保持不变，通常采用的是传统的锚泊定位。但是随着作业海域的海水深度不断增加，或者作业海域海底的海况比较复杂，不允许抛锚，那么传统的锚泊系统就很难使船舶保持原来的位置。所以船舶动力定位系统就在这种情况下应运而生了。传统的抛锚定位是将锚抛入海底，锚爪会抓住海底的淤泥，来抵抗船舶所受到的干扰力。锚的优点是:锚是任何船舶都有的设备，不需要额外的加装定位设备。但是它的缺点是:定位不准，而且抛锚、起锚费时比较麻烦，机动性能比较差。最至关重要的是它还受到水深的限制，其有效定位范围在水深100米以内的区域。船舶动力定位是依靠本船的动力，在控制系统的控制下抵抗外部的干扰，使其保持一定姿态和腊向、悬停于空间一定点位置。动力定位系统具有不受海水深度影响、定位快速准确等特点。

1、动力定位系统简介任何一条船舶或者海洋运动体，它有六个自由度的运动，三个平移运动和三个旋转运动，这其中包括:纵荡，横荡，垂荡，舷摇，纵摇和横摇，如下图1。图1 船舶六自由度运动示意图动力定位系统包括了对船舶六个自由度的自动控制，所有这些的控制都是根据操作器所设定的位置值和舶向设定值，通过位置值和舷向的值的测量可以获得需要设定值与现在位置的差值。位置值的测量可以通过一系列的传感器获得，而脂向值是通过一个或多个罗盘获得的。设定值与反馈值的差值就是偏差量，而动力定位系统的任务就是尽量减小这种偏差值。船舶必须在受到外部干扰的时候，控制自己的船位和舷向在最小的误差范围之内，如果这些外部干扰力可以及时准确的被测量，那么控制计算机就可以及时的提供补偿。动力定位系统除了可以保持船舶的位置和舶向之外，还可以控制改变船舶的位置和舷

动力定位概述

动力定位概述 1. 动力定位系统原理船舶动力定位系统就是依据所要求的船舶定位或运动指令,根据测量所得船舶的运动信息与环境信息,利用计算机进行复杂的实时计算,控制船舶主副推力装置产生一定推力与力矩,以实现预定的船舶姿态控制、定位控制或运动控制。船舶在海上除了受到本身推进器的推力以外，还受到风力、波浪与海流的外界作用力，从而产生6个自由度的运动，即纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇与艏遥。动力定位系统利用位置测量设备测出本身位置的变化，利用各类传感器测出船艏、纵横摇以及风力风向，再采用现代控制理论，建立船舶与推力器的数学模型，并采用多种控制方法，同多对船舶6个自由度运动风量以及风力风向的计算，对船舶各主副推力器的推力进行分配，从而控制船舶3个自由度的运动，即纵荡、横荡与艏摇。 2. 动力定位系统组成动力定位系统通常包括两大部分：测量控制部分和推力装置部分。测量控制部分测量控制部分主要包括: 1) 测量传感器： DGPS(或其他类型定位系统)-测量船位电罗经-测量艏向船舶垂直参考单元-测量船舶的纵摇、横摇与升沉风向风速仪-测量影响船舶动力的主要干扰力即风力 2) 控制部分：操作台：其台面上布置有操纵手柄、跟踪球、输入键盘、各种操纵按钮、指示灯与报警灯及显示屏，操纵台内部布置有一台高性能计算机。

控制柜：其内部布置有实时处理计算机、存储器、输入/输出接口、供电模块以及大量接线端子；动力定位系统与位置测量设备、各种传感器以及主副推力器的电气联接均通过控制柜，系统供电也经由本柜。便携式手操终端推力装置部分 1) 动力部分：船舶主机、发电机 2) 推力部分：主推进器、舵、辅助推力装置(多用侧推器和全回转推进器)。 3. 动力定位的等级与精度动力定位等级国际海事组织IMO根据动力定位系统的功能以及设备冗余度, 将动力定位系统分为三个等级:1级、2级与3级。中国船级社根据动力定位系统不同的沉余度将动力定位等级DP1、DP2、DP3。具体要求如下： 1) 1级动力定位系统DP-1：安装有动力定位系统的船舶，可在规定的环境条件下，自动保持船舶的位置和首向，同时还应设有独立的集中手动船位控制和自动艏向控制。 2) 2级动力定位系统DP-2：安装有动力定位系统的船舶，在出现单个故障不包括一个舱室或几个舱室的损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。 3) 3级动力定位系统DP-3：安装有动力定位系统的船舶，在出现任一故障(包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。动力定位等级精度动力定位系统的精度，既与相关测量系统(如DGPS)的设备的精度有关系，也与推进器系统相关信号传输的精度有关。 4. 动力定位系统的布置要求根据中国船级社规定，动力定位系统布置如下表所示：

动力定位系统概况

船舶动力定位概况一、船舶为什么需要“动力定位系统”？长期以来，船舶在近浅海和内陆水域里，人们都是采用抛锚技术来保持船位在水面上相对稳定。这种定位技术的最大特点就是：锚必须牢固地抓住水下的固定物体（陆基），并且一旦锚通过锚链将船舶的位臵固定后，船上的推进设备及其辅助设施和相应的控制系统便停止运行，完全处于停电（电力推进）和停油、停气（柴油机推进）工况。但是，随着地球上人口的急剧增加，科学技术的飞速发展，人们的生活水平日益提高，世界对能源的需求量越来越大。陆地上资源的开采和供应日趋极限，甚至出现紧缺的态势。这就迫使世界各国必须把经济发展的重点转移到海洋上。因为占地球总面积2/3以上的浩瀚大海里，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋大量资源和海洋生物资源。可以预料，21世纪将是人类全面步入海洋经济的时代，人们对海洋的探索和开发的范围将越来越广，对海洋的探索和开发的手段也越来越先进，对海洋探索和开发的领域由近海浅海日趋向远海深海发展。目的只有一个，就是将浩瀚大海里的资源开发出来，供人类充分使用。因而，世界各国便随之研究开发出各式各样的、不同类型的深远海作业的浮式生产系统，诸如半潜式钻井平台、多用途石油钻井平台供应船、科学考察船和海洋资源调查船等等。这些浮式生产作业系统有一个共同的特点：就是在浩瀚深邃的大海上，能够按照人们的要

求将其位臵稳定在地球的某个坐标范围里；就像抛锚定位那样，将这些浮动的作业体牢牢地锁定在人们期望的浩瀚深邃的大海的某个位臵上。这便进一步诱发了世界各国对深远海作业的浮式生产系统的定位技术和系泊方式的研究。在一般的近浅海水深情况下，浮式生产系统的系泊定位主要采用锚泊系统。但是，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力减小，抛锚的困难程度增加。同时，锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而使其重量剧增，这必然使海上布链抛锚作业变得更加复杂，其定位功能也会受到很大的限制，定位的效果也不尽人意。同时，这种系泊锚和锚链的造价以及安装费用也会猛增。在深远海的情况下，这些问题将会更加突出，锚泊技术将无济于事。既然传统的锚泊系统在深远海域绝对无法使用，在二十世纪五、六十年代，世界各国特别是西欧开始研究新的船舶定位技术和系统。直到上个世纪六十年代后期，一种有别于锚泊系统的新的船舶定位系统诞生了——这就是动力定位系统。二、什么是“船舶动力定位系统”？我们知道，一艘船舶（或浮式生产作业系统）停泊在海面上作业，假如是在风平浪静的状况下，它还能够保持自己的位臵不变。但是，海洋上的自然环境因素（风、浪、流）是千变万化的，一艘船舶（或浮式生产作业系统）在海面上绝对是无法保持自己位臵稳定的，它在风、浪、流的作用下，产生纵摇、横摇、纵荡、横荡、艏摇、升降6个自由度的运动，使船舶漂移离开人们期望的目标位臵。其中风和水

船舶导航设备

河北工业大学交通运输设备论文船舶导航设备姓名：沙耀宗学号 091551学院：土木工程学院系(专业)：交通运输学院班级：交运091班 2012 年 5 月 20 日

一、船舶导航发展历史及现状导航的概念源于航海事业古人常用天文导航、地磁导航指引船舶的行驶 100多年前出现机械式船舶计程仪，至后来陆续出现陀螺罗经、船载雷达等等。船舶导航已经走过了约一个世纪的漫长道路 21世纪，各种船舶导航系统有的已经或者将要被淘汰（LORAN-A、OMEGA）；有的被保留,不断改进、发展（陀螺罗经、计程仪、雷达等）。新出现并蓬勃发展的导航技术：船载GPS、电子海图显示与信息系统ECDIS 、船载自动识别系统AIS 、船载航行数据记录仪VDR等。二、船舶导航发展存在的问题 1）传统各种单项导航技术的优劣势各种单一导航系统发展已趋于成熟稳定；各自优缺点也已明显地表现出来： 2）组合导航INS/IBS 及其局限性由于单一导航系统各具优劣势，组合导航已成为当今舰船最基本、最重要的导航设备之一。 INS（Integrated Navigation System ）：20世纪60年代出现，是指“一种借助

于电子计算机数据处理技术，将船舶上不同特点的各种单个导航设备(系统)有机的结合在一起，通过对各导航信息进行综合处理（常用Kalman滤波）,以达到提高系统定位精度、可靠性、灵活性、自动化程度的目的,并可进行各种航海功能计算的导航系统” 功能：系统经过标准口输出最佳的船位经纬度、航向、航速等数据给其他导航系统；可以减轻值班驾驶员的辛苦。局限：由于船舶间未提供数据自动传输的通信系统，其优化的数据不能用于避免船舶间避碰。 IBS（Integrated Bridge System）：综合船桥系统，20世纪70年代出现，是指“一种利用电子计算机，用系统设计方法，将各种定位仪、雷达、ARPA （自动雷达标绘仪）、GPS/DGPS、ECDIS显示的电子海图及数字自动舵连接起来,组成船舶自动航行系统。 IBS系统集导航、控制、显示、监视、通信、管理等诸多功能于一体，实现航行自动化，提高航行安全性、经济性与有效性。导航专家系统功能：可以设计最佳航线，并且根据经优化处理的船位信息不断检测风、流、浪等随机干扰的影响，调整修改操船措施,以保证船舶航行在安全、经济的航线上。局限：最佳航线的设计，中长期天气、海况预报准确性的问题尚待进一步开发和解决。避碰专家系统功能：包括船位信息采集和处理；建立知识库；编制避让方案；船舶间通信等部分；使系统在掌握足够信息的前提下，及时正确判断会

船舶无线电导航

船舶无线电导航船舶无线电导航，是航海中利用无线电波测定船位和引导船舶沿预定航线航行的技术，又称无线电航海。无线电导航是根据无线电波的传播特性，测量地面，包括外层空间的导航台发射的无线电波参数，如频率、振幅、传播时间或相位，求得船舶相对于导航台的几何参数，如角度、距离、距离差或距离和，从而建立船位线，实现船舶定位和导航。简介无线电波的基本传播特性为：在理想均匀介质中按直线传播，传播速度为常数；在两种介质的界面会产生反射。无线电导航同其他定位、导航方法相比的优点是：全天候，定位精度和可靠性较高，作用距离较远，因而在导航技术中愈来愈占重要地位。但是无线电导航必须依靠导航台的信息，易受自然或人为干扰，并且难免发生故障，因此不能完全代替航迹推算、陆标定位和天文定位（见天文航海）等基本方法。实现船舶无线电导航是依靠由导航台(岸台)和船上无线电导航设备构成的船舶无线电导航系统。船舶无线电导航系统按作用距离可分为近程(50～100海里)、中程(300～600海里)、远程(约1500海里)和超远程（5000海里以上）等导航系统。目前国际通用的有无线电测向系统、康索尔、罗兰、台卡、奥米加、

海军导航卫星系统等。这些导航系统一般都是航海和航空兼用，但各有特殊要求。雷达为另一类无线电导航系统，是自备式的集信号发射和接收于一体的系统，在海上主要用于探测和避让（见航海雷达）。与雷达配合使用的雷达应答器、雷达指向标通常归入航标。发展概况 20世纪20年代以来，无线电导航的发展大致经历了三个阶段：①20～40年代，用无线电测向系统逐渐替代岸上的无线电测向站和直接提供方位信号的旋转式无线电指向标导航。这时期发展的无线电导航系统主要是方位系统，属近中程，提供的位置线为大圆弧（岸测船）或恒位线（船测岸），在近距离可当作直线。②40～60年代,无线电双曲线导航系统蓬勃发展,提高了船舶定位精度。1943年美国建成中程系统罗兰-A；1944年英国建成中近程系统台卡；在此基础上，50年代末美国建成远程系统罗兰-C，并研制超远程系统奥米加。40年代中期德国研制成中远程方位系统桑尼，并由英国发展为更完善的康索尔。这些系统作用距离大大增加，可提供较高的定位精度。③60～80年代，全球性导航系统迅速发展，并进一步提高了船舶定位精度。美国于1964年建成“海军导航卫星系统”供军用，1967年开放供民用。该系统覆盖全球，精度高，但不能连续定位。70年代美国开始研制一种可连续定位、精度更高的卫星导航系统，称为全

船舶动力定位技术简述

船舶动力定位技术简述 1.动力定位技术背景 1.1 国外动力定位技术发展目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。 1(动力定位控制系统 1)测量系统测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。 2)控制技术 20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。 20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。

近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。 2001 年 5 月份，挪威著名的 Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统(Green DP)，将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成:环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力;模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤:1.从非线性船舶模型预测运动;2.寻找阶跃响应曲线;3.求解 [1]最佳推力。控制器结构如图所示: 图1.1Green-DP总体控制图荷兰的Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推进器和动力定位的研究计划，并开展了动力定位的模型实验，内容包括:?推进器和推进器之间的相互作用;?推进器和船体之间的相互作用;?环境力和船舶的低频运动。研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM，包括模拟实验的程序DPCON和理论模型计算的程序

船舶动力定位现在很有前景的

船舶动力定位现在很有前景的，主要应用领域就是在多用途工程船，油田服务船，海洋工程，海洋石油平台等领域。尤其是海洋石油领域需求很大，因为围绕海洋工程的船舶和石油平台都经常需要长时间定位于海上某一位置，进而进行海上工程，或者进行钻井采油活动，动力定位分为3个等级，DP1，DP2，DP3,一般多用途船舶达到DP2就可以，石油平台一般需要DP3。目前国外的动力定位技术已经很成熟，国内只有上海708研究所在此领域成功研发出有自主知识产权的我国动力定位系统，已经达到了DP3的水平，但是国内的很多动力定位系统都是靠进口的。这个市场是很大的，因为目前海洋石油正蓬勃发展，新型的多用途船舶，石油平台也会增加很快，因此前景不错 DP Class 1,2 and 3 IMO Class 1 Loss of position may occur in the event of a single fault. Class 2 Loss of position should not occur from a single fault of an active component or system such as generators, thruster, switchboards, remote controlled valves etc. But may occur after failure of a static component such as cables, pipes manual valves etc. Class 3 Loss of position should not occur from any single failure including a completely burnt fire subdivision or flooded watertight compartment. A single fault includes a single inadvertent act by any person onboard the vessel. The Classification Societies define the different class as follows: ABS DPS 1 Vessels are to be fitted with a dynamic positioning system which is capable of automatically maintaining the position and heading of the vessel under specified maximum environmental conditions having an independent centralized manual position control with automatic heading. DPS 2 Vessels are to be fitted with a dynamic positioning system which is capable of automatically maintaining the position and heading of the vessel within a specified operating envelope under specified maximum environmental conditions during and following any single fault excluding a loss of compartment or compartments. DPS 3 Vessels are to be fitted with a dynamic positioning system which is capable of automatically maintaining the position and heading of the vessel within a specified operating envelope under specified maximum environmental conditions during and following any single fault including a loss of a compartment due to fire or flood. D.N.V. AUT An automatic position keeping system with a remote thrust control back up and a position reference back up. AUTR An automatic position keeping system with redundancy in Technical design. AUTRO An automatic position keeping system with redundancy in technical design and physical arrangement. Lloyds DP(AM) This notation is assigned when a ship is fitted with automatic and standby manual controls for position keeping and with position reference system(s) environmental sensor(s) and machinery arrangements as defined in section 5.2 (within LR Rules)

文献综述-船舶动力定位控制技术研究

文献综述电气工程及其自动化船舶动力定位控制技术研究前言:随着人类不断地深入海洋，人们对海洋的开发和探索的范围越来越广。由于海面上的不稳定因素很多，风、海、浪对船舶的运动以及在海面上的位置有很大的影响，因此对船舶在海洋中的控制的要求越来越高。以往，大多船舶采用锚泊等方法进行定位，所需建设工程时间较长，尤其在深海处，锚泊定位方法存在较大困难。因此，船舶动力定位也就应运而生了。船舶动力定位有别于传统的定位方法，船舶动力定位是依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干扰，使其保持某一姿态和艏向、悬停于空间任何一定点位置。它具有不受海水深度影响、定位准确快速等特点。在船舶动力定位系统中，控制系统是它的核心部分。随着控制技术的不断的发展，船舶动力定位控制技术得到快速的提高。至今，动力定位控制技术也经历了三代的发展，其特点分别是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论在动力定位控制技术中的应用。模糊控制技术作为一种智能控制技术，其具有可以不依赖于对象的精确模型，鲁棒性好，响应速度快，抗干扰能力强的特点，考虑到船舶动力定位的特点，模糊控制技术还是比较适合的一种动力定位控制技术[1]。正文：船舶在海上运行时会遇到风、海浪和海流等海洋环境的干扰，这样船舶就产生了受扰运动。例如科学考察船在海上进行作业时，需要停在指定的位置上。但是由于海上环境的影响，考察船不能一直停在指定的位置上。因此为了确保船舶在海上运作的稳定性，需要对船舶进行定位。以往，传统的定位方法是锚泊定位。传统的抛锚定位是将锚扔入海底，利用锚钩住海底的淤泥，从而使船舶抵抗受到的外界的干扰力。抛锚定位它的优点是，锚是任何船舶上都会备有的定位设备，从而不用另外加装其他的定位设备。但是这种定位系统有不可避免的缺陷：1、定位不够准确，其精确性与水深成反比；2、抛锚、起锚费时比较麻烦，机动性能差。一旦抛锚，如果需要重新定位时，需要收锚然后重新抛锚定位，这一过程本身就很繁琐和费时。3、锚泊系统很容易受海底情况及水深的影响和限制，在一般情况下，它的有效定位的范围是在水深100米左右的区域。4、对于一些需要在深海作业或者航行的船舶，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力会逐渐减小，抛锚的困难程度也会增加，同时还要增加锚链的长度和加强强度，从而导致锚链的重量一下增大，使海上的布链作业将变得复杂。