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 Fanbeam 253
8.5.2 CyScan 256
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 5 271
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