船舶动力定位位置参考系统信息融合方法研究

论文摘要

近几年随着对海洋资源的开发,很多大型的海洋工程应运而生,因此对海上作业船的需求量也越来越多,要求也越来越高。从最初的渔船到当今的大型动力定位(Dynamic Positioning)船舶,如深海铺管起重船、半潜式海上钻井平台等,对DP的要求也从最初的DP1发展到DP3系统。DP3系统对安全和可靠性要求较高,因此DP3系统要求至少配备三至四套位置参考系统以实现冗余。本论文主要针对动力定位船舶的位置参考系统进行研究,主要工作是设计一种融合算法实现对位置信息的融合,以达到提高定位精度和提高容错性。首先对动力定位系统常用的几种位置参考系统进行了介绍,针对位置参考系统建立了用于数据处理和信息融合研究的数学模型,因为船舶运动参数是建立位置参考系统数学模型的基础,因此在合理的假设下先建立了动力定位船舶模型以及风、浪、流的模型。其次,通过对位置参考系统测量原理的研究分析,利用空间坐标变换理论,以及综合考虑测量系统特有的噪声特性,建立了位置参考系统数学模型,并对位置参考系统数学模型进行仿真验证。其次,将数据融合方法分为数据处理和融合算法两部分。在数据处理方法研究中,进行了野值剔除和滤波方法研究,对采集到的测量数据进行滤波和野值检测得到高质量的数据,然后进行了空间对准和时间对准方法研究,将类型不同的位置参考系统,利用空间坐标变换理论转换到同一坐标系下,针对各位置参考系统的不同采样频率,采用了自适应数据对准算法,利用该算法将所有位置参考系统的测量数据对准在同一采样时间上,仿真试验结果表明数据处理算法的正确性。在融合算法研究中,采用了一种基于置信测度的融合方法,并针对其在位置参考系统数据融合中的欠缺进行了改进,此算法通过计算不同测量系统之间测量数据的置信距离来判断测量数据的优劣,剔除不合理的测量数据,然后根据测量数据偏离理想真值的程度确定各自的权值,仿真试验结果表明该融合算法能够提高测量精度和提高容错性。最后,利用四自由度机电液一体化转台对部分数据处理和信息融合算法进行了半实物仿真实验验证,试验结果表明论文中的算法方法可以实时的对数据进行处理并融合出一个最优结果,能够实现所要求的提高精度和容错功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.1.1 动力定位技术简介
• 1.1.2 数据融合技术在动力定位中的应用
• 1.2 多传感器数据融合技术简介
• 1.2.1 多传感器数据融合的定义
• 1.2.2 多传感器数据融合的起源和发展
• 1.2.3 多传感器数据融合技术的国内外研究现状
• 1.3 多传感器数据融合技术的分类
• 1.4 动力定位船舶位置参考系统数据融合的难点
• 1.5 论文的主要工作和研究内容
• 第2章 动力定位船舶常用位置参考系统简介
• 2.1 张紧索位置参考系统
• 2.2 水声位置参考系统
• 2.2.1 常用的水声定位系统简介
• 2.2.2 超短基线定位原理
• 2.3 DGPS位置参考系统
• 2.3.1 位置差分原理
• 2.3.2 伪距差分原理
• 2.3.3 载波相位差分原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 动力定位船舶位置参考系统数学模型的建立
• 3.1 动力定位中常用的坐标系
• 3.2 船舶仿真运动模型的建立
• 3.2.1 低频运动模型
• 3.2.2 高频运动模型
• 3.3 环境干扰力模型的建立
• 3.3.1 海风的模拟
• 3.3.2 波浪的模拟
• 3.3.3 海流的模拟
• 3.4 船舶数学模型仿真验证
• 3.5 位置参考系统测量模型的建立
• 3.5.1 张紧索位置参考系统模型的建立及仿真验证
• 3.5.2 水声位置参考系统测量模型的建立及仿真验证
• 3.5.3 DGPS位置参考系统测量模型的建立及仿真验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 动力定位船舶位置参考系统信息融合
• 4.1 位置参考系统信息融合功能要求分析
• 4.2 位置参考系统数据处理
• 4.2.1 野值剔除
• 4.2.2 线性拟合滤波算法
• 4.2.3 时间对准
• 4.2.4 空间对准
• 4.3 基于置信测度的改进融合算法
• 4.3.1 置信距离矩阵的计算
• 4.3.2 关系矩阵的确定
• 4.3.3 权值的计算
• 4.4 数据处理和融合算法仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 信息融合算法半实物仿真实验验证
• 5.1 半实物仿真系统介绍
• 5.1.1 船舶运动仿真管理计算机
• 5.1.2 转台控制计算机
• 5.1.3 大型转台
• 5.1.4 艏向测量传感器
• 5.1.5 数据采集及融合处理计算机
• 5.2 半实物试验目的
• 5.3 半实物转台仿真实验过程和结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢