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第1章 绪论1

1.1船舶动力定位的定义1

1.2船舶动力定位的发展史2

1.2.1动力定位产生的背景2

1.2.2动力定位系统的技术发展现状5

1.3船舶动力定位简介8

1.3.1动力定位系统工作原理8

1.3.2船舶动力定位的基本功能9

1.3.3动力定位的分级9

1.4国际组织和船级社11

1.4.1国际组织11

1.4.2船级社12

第一部分 数学模型17

第2章 坐标系统17

2.1概述17

2.2地球中心惯性坐标系18

2.3地球中心固定坐标系19

2.4 WGS-84坐标系19

2.5通用横向墨卡托投影坐标系统20

2.6北东坐标系22

2.7船体坐标系23

2.8船体平行坐标系24

第3章 船舶运动数学模型25

3.1运动学25

3.1.1运动变量定义25

3.1.2船体坐标系与北东坐标系之间的转换26

3.1.3船舶运动学30

3.2动力学31

3.2.1刚体动力学31

3.2.2船舶水动力和力矩37

3.2.3水动力的无因次体系41

3.3船舶运动数学模型46

3.3.1六自由度非线性运动方程46

3.3.2六自由度线性运动方程48

3.3.3单自由度直航模型49

3.3.4单自由度自动驾驶仪模型50

3.3.5二自由度线性操纵模型50

3.3.6三自由度水平面运动模型51

3.3.7纵荡-垂荡-纵摇三自由度运动模型53

3.3.8横荡-横摇-艏摇三自由度运动模型55

第4章 海洋环境模型57

4.1风的模型57

4.1.1相对风速和相对风向57

4.1.2风力与风力矩系数58

4.2海浪的模型61

4.2.1风级、浪级和海况的定义62

4.2.2波能谱公式63

4.2.3海浪响应的线性模型70

4.2.4遭遇频率72

4.2.5海浪干扰力和干扰力矩72

4.3海流模型73

4.3.1海流对运动模型的影响73

4.3.2海流作用于船体的干扰力及力矩74

第二部分 控制理论在船舶动力定位中的应用79

第5章 动力定位的数据处理和数据融合79

5.1概述79

5.1.1多传感器数据融合的起源和发展79

5.1.2多传感器数据融合技术的分类80

5.1.3船舶动力定位数据处理和数据融合82

5.2位置参考系统数据处理84

5.2.1野值剔除84

5.2.2滤波85

5.2.3时间对准87

5.2.4空间对准90

5.3基于置信测度的融合算法99

5.3.1置信距离矩阵的计算99

5.3.2关系矩阵的确定101

5.3.3权值的计算101

5.4数据处理和融合算法仿真103

5.4.1计算机仿真103

5.4.2半实物仿真实验112

第6章 动力定位的数据滤波与状态估计118

6.1卡尔曼滤波器的设计118

6.1.1卡尔曼滤波简介118

6.1.2数据滤波与状态估计中船舶运动数学模型119

6.1.3离散型卡尔曼估计滤波器的设计121

6.1.4扩展的离散时间卡尔曼估计滤波器设计123

6.2无源非线性估计滤波器设计124

6.2.1系统模型124

6.2.2估计滤波器方程125

6.2.3估计滤波器误差动态特性125

6.2.4稳定性分析127

6.2.5估计滤波器增益矩阵的确定130

6.2.6稳定性证明131

6.3非线性无源观测器的仿真案例132

第7章 动力定位的控制方法148

7.1基于PID的动力定位船舶航迹保持控制148

7.1.1 PID控制算法148

7.1.2 PID控制算法的改进151

7.1.3动力定位船舶的低速航迹保持策略154

7.1.4动力定位船舶的高速航迹保持策略156

7.1.5低速航迹保持艏向控制器仿真157

7.1.6高速航迹保持艏向控制器设计与仿真160

7.2动力定位线性二次型（LQ）最优控制164

7.2.1 LQ最优控制基本原理164

7.2.2动力定位控制系统的最优LQ设计166

7.2.3风前馈控制器的设计167

7.2.4动力定位LQ控制的仿真实验168

7.3基于MPC的动力定位控制器的设计174

7.3.1选用MPC用于动力定位系统的几点考虑175

7.3.2动力定位系统中的约束175

7.3.3基于MPC方法实现动力定位系统约束处理的原理176

7.3.4 动态矩阵控制算法177

7.3.5动力定位MPC控制器的仿真实验179

7.4环境最优艏向控制189

7.4.1最优艏向的获得方法190

7.4.2李雅普诺夫稳定性定理194

7.4.3基于非线性反步设计法的环境最优艏向控制器197

7.4.4环境最优艏向控制器仿真实验及分析201

第三部分 测量系统209

第8章 位置参考系统209

8.1卫星定位系统209

8.1.1全球定位系统209

8.1.2差分全球定位系统214

8.1.3全球导航卫星系统222

8.1.4北斗223

8.2水声位置参考系统227

8.2.1概述227

8.2.2长基线系统228

8.2.3短基线系统229

8.2.4超短基线系统232

8.3 Artemis微波位置参考系统236

8.3.1 Artemis工作原理236

8.3.2 Artemis系统功能特点237

8.3.3 Artemis Mk IⅣ系统242

8.4张紧索系统244

8.4.1概述244

8.4.2张紧索的几何推算244

8.4.3 三种张紧索系统251

8.5激光位置参考系统253

8.5.1 Fanbeam253

8.5.2 CyScan256

第9章 动力定位系统其他传感器259

9.1艏向传感器259

9.1.1电罗经简介259

9.1.2 NAVIGA1 X MK 1型数字电罗经260

9.2风传感器262

9.2.1皮托管式风传感器262

9.2.2螺旋桨风传感器263

9.2.3超声波风传感器265

9.2.4霍尔效应电磁风传感器266

9.2.5热线、热膜式风传感器268

9.3垂直运动传感器270

9.3.1 MRU简介270

9.3.2 Kongsberg Seatex MRU 5271

第四部分 推进系统和动力系统277

第10章 推进系统277

10.1概述277

10.2推进器的形式和原理279

10.2.1主推进器279

10.2.2槽道推进器279

10.2.3全回转推进器280

10.2.4吊舱推进器282

10.2.5喷水推进器283

10.3推进系统的数学模型284

10.3.1敞水螺旋桨的推力和转矩284

10.3.2船体与螺旋桨的相互作用286

10.3.3推进器效率287

10.3.4螺旋桨流体动力的计算模型288

10.4喷水推进器的一般特性289

10.4.1船舶航行推力与阻力平衡方程289

10.4.2喷水推进器能头平衡方程290

第11章 动力系统293

11.1概述293

11.2动力系统组成294

11.3电力系统295

11.3.1概述295

11.3.2动力定位船舶的发电系统297

11.3.3动力定位船舶的供配电系统297

11.3.4动力定位船舶的负载系统300

11.3.5动力定位船舶的输电系统300

11.4动力系统可靠性的保障301

11.4.1冗余电路301

11.4.2电力系统保护302

11.4.3应急电力系统302

11.5电站监控和运行管理系统305

11.5.1电力参数监测显示及报警306

11.5.2发电机的启动和停车控制307

11.5.3分级卸载功能309

11.5.4重载的启动询问310

11.5.5停电恢复功能310

11.5.6电站运行情况记录310

第五部分 船舶动力定位系统313

第12章 动力定位系统设计313

12.1概述313

12.2推进器布置313

12.2.1简单的推进器布置313

12.2.2推进器布置规则314

12.3动力定位系统的组成与配置316

12.3.1动力定位系统的组成316

12.3.2动力定位系统的配置和分级316

12.4动力定位能力计算323

12.4.1概述323

12.4.2有关动力定位能力计算的说明324

12.5中国船级社有关动力定位系统的相关说明327

12.5.1附加标志328

12.5.2定义328

12.5.3故障模式与影响分析330

第13章 动力定位系统功能和组成331

13.1概述331

13.2动力定位的模式与功能331

13.2.1动力定位的模式331

13.2.2动力定位的特种功能339

13.3动力定位系统的基本组成343

13.4动力定位产品介绍347

第14章 动力定位船舶作业353

14.1概述353

14.2潜水支持作业353

14.3勘察和ROV支持作业355

14.4海床开沟机作业356

14.5铺管作业357

14.6倾倒岩石作业358

14.7采砂挖泥作业359

14.8铺缆与维修作业359

14.9起重船作业360

14.10移动式海底钻井平台作业360

14.11油轮作业361

14.12浮式生产储存装载单元作业362

14.13其他功能和作业363

参考文献364