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| 內容簡介： |
本书详尽地论述了动力定位技术及其应用，重点总结并深入研究了推动船舶动力定位技术进步的若干理论和关键技术，总结了作者多年来从事动力定位领域研究的成果。内容包括坐标系统及其变换、船舶运动数学模型、海洋环境模型、动力定位系统的数据处理和数据融合、动力定位系统的数据滤波与状态估计、船舶动力定位控制方法、测量系统、推进系统、动力系统、动力定位系统设计、船舶动力定位系统、动力定位船舶作业，以及有关动力定位的指南和规范等。
本书是国内第一部有关动力定位方面的专业著作，是作者近30年来有关船舶动力定位方面的教学和科学研究经验的积累和总结，同时吸收了国内外相关的重要参考文献的精华，力求反映当今该领域的新思想、新观点、新动态和新的技术及学术水平。
本书可作为船舶与海洋工程领域科学工作者和工程技术人员的参考书，也可供自动控制类及海洋工程专业的高校师生选用，同时也适于对动力定位技术感兴趣的其他专业人员阅读参考。
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| 目錄：
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前言
第一部分 数学模型
第1章 绪论
1.1 船舶动力定位的定义
1.2 船舶动力定位的发展史
1.2.1 动力定位产生的背景
1.2.2 动力定位系统的技术发展现状
1.3 船舶动力定位简介
1.3.1 动力定位系统工作原理
1.3.2 船舶动力定位的基本功能
1.3.3 动力定位的分级
1.4 国际组织和船级社
1.4.1 国际组织
1.4.2 船级社
第2章 坐标系统
2.1 概述
2.2 地球中心惯性坐标系
2.3 地球中心固定坐标系
2.4 WGS-84坐标系
2.5 通用横向墨卡托投影坐标系统
2.6 北东坐标系
2.7 船体坐标系
2.8 船体平行坐标系
第3章 船舶运动数学模型
3.1 运动学
3.1.1 运动变量定义
3.1.2 船体坐标系与北东坐标系之间的转换
3.1.3 船舶运动学
3.2 动力学
3.2.1 刚体动力学
3.2.2 船舶水动力和力矩
3.2.3 水动力的无因次体系
3.3 船舶运动数学模型
3.3.1 六自由度非线性运动方程
3.3.2 六自由度线性运动方程
3.3.3 单自由度直航模型
3.3.4 单自由度自动驾驶仪模型
3.3.5 二自由度线性操纵模型
3.3.6 三自由度水平面运动模型
3.3.7 纵荡-垂荡-纵摇三自由度运动模型
3.3.8 横荡-横摇-艏摇三自由度运动模型
第4章 海洋环境模型
4.1 风的模型
4.1.1 相对风速和相对风向
4.1.2 风力与风力矩系数
4.2 海浪的模型
4.2.1 风级、浪级和海况的定义
4.2.2 波能谱公式
4.2.3 海浪响应的线性模型
4.2.4 遭遇频率
4.2.5 海浪干扰力和干扰力矩
4.3 海流模型
4.3.1 海流对运动模型的影响
4.3.2 海流作用于船体的干扰力及力矩
第二部分 控制理论在船舶动力定位中的应用
第5章 动力定位的数据处理和数据融合
5.1 概述
5.1.1 多传感器数据融合的起源和发展
5.1.2 多传感器数据融合技术的分类
5.1.3 船舶动力定位数据处理和数据融合
5.2 位置参考系统数据处理
5.2.1 野值剔除
5.2.2 滤波
5.2.3 时间对准
5.2.4 空间对准
5.3 基于置信测度的融合算法
5.3.1 置信距离矩阵的计算
5.3.2 关系矩阵的确定
5.3.3 权值的计算
5.4 数据处理和融合算法仿真
5.4.1 计算机仿真
5.4.2 半实物仿真实验
第6章 动力定位的数据滤波与状态估计
6.1 卡尔曼滤波器的设计
6.1.1 卡尔曼滤波简介
6.1.2 数据滤波与状态估计中船舶运动数学模型
6.1.3 离散型卡尔曼估计滤波器的设计
6.1.4 扩展的离散时间卡尔曼估计滤波器设计
6.2 无源非线性估计滤波器设计
6.2.1 系统模型
6.2.2 估计滤波器方程
6.2.3 估计滤波器误差动态特性
6.2.4 稳定性分析
6.2.5 估计滤波器增益矩阵的确定
6.2.6 稳定性证明
6.3 非线性无源观测器的仿真案例
第7章 动力定位的控制方法
7.1
基于PID的动力定位船舶航迹保持控制
7.1.1 PID控制算法
7.1.2 PID控制算法的改进
7.1.3 动力定位船舶的低速航迹保持策略
7.1.4 动力定位船舶的高速航迹保持策略
7.1.5 低速航迹保持艏向控制器仿真
7.1.6 高速航迹保持艏向控制器设计与仿真
7.2
动力定位线性二次型LQ最优控制
7.2.1 LQ最优控制基本原理
7.2.2 动力定位控制系统的最优LQ设计
7.2.3 风前馈控制器的设计
7.2.4 动力定位LQ控制的仿真实验
7.3
基于MPC的动力定位控制器的设计
7.3.1 选用MPC用于动力定位系统的几点考虑
7.3.2 动力定位系统中的约束
7.3.3 基于MPC方法实现动力定位系统约束处理的原理
7.3.4 动态矩阵控制算法
7.3.5 动力定位MPC控制器的仿真实验
7.4 环境最优艏向控制
7.4.1 最优艏向的获得方法
7.4.2 李雅普诺夫稳定性定理
7.4.3 基于非线性反步设计法的环境最优艏向控制器
7.4.4 环境最优艏向控制器仿真实验及分析
第三部分 测量系统
第8章 位置参考系统
8.1 卫星定位系统
8.1.1 全球定位系统
8.1.2 差分全球定位系统
8.1.3 全球导航卫星系统
8.1.4 北斗
8.2 水声位置参考系统
8.2.1 概述
8.2.2 长基线系统
8.2.3 短基线系统
8.2.4 超短基线系统
8.3
Artemis微波位置参考系统
8.3.1 Artemis工作原理
8.3.2 Artemis系统功能特点
8.3.3 Artemis Mk IV系统
8.4 张紧索系统
8.4.1 概述
8.4.2 张紧索的几何推算
8.4.3 三种张紧索系统
8.5 激光位置参考系统
8.5.1 Fanbeam
8.5.2 CyScan
第9章 动力定位系统其他传感器
9.1 艏向传感器
9.1.1 电罗经简介
9.1.2 NAVIGAT X MK 1型数字电罗经
9.2 风传感器
9.2.1 皮托管式风传感器
9.2.2 螺旋桨风传感器
9.2.3 超声波风传感器
9.2.4 霍尔效应电磁风传感器
9.2.5 热线、热膜式风传感器
9.3 垂直运动传感器
9.3.1 MRU简介
9.3.2 Kongsberg Seatex MRU 5
第四部分 推进系统和动力系统
第10章 推进系统
10.1 概述
10.2 推进器的形式和原理
10.2.1 主推进器
10.2.2 槽道推进器
10.2.3 全回转推进器
10.2.4 吊舱推进器
10.2.5 喷水推进器
10.3 推进系统的数学模型
10.3.1 敞水螺旋桨的推力和转矩
10.3.2 船体与螺旋桨的相互作用
10.3.3 推进器效率
10.3.4 螺旋桨流体动力的计算模型
10.4 喷水推进器的一般特性
10.4.1 船舶航行推力与阻力平衡方程
10.4.2 喷水推进器能头平衡方程
第11章 动力系统
11.1 概述
11.2 动力系统组成
11.3 电力系统
11.3.1 概述
11.3.2 动力定位船舶的发电系统
11.3.3 动力定位船舶的供配电系统
11.3.4 动力定位船舶的负载系统
11.3.5 动力定位船舶的输电系统
11.4 动力系统可靠性的保障
11.4.1 冗余电路
11.4.2 电力系统保护
11.4.3 应急电力系统
11.5 电站监控和运行管理系统
11.5.1 电力参数监测显示及报警
11.5.2 发电机的启动和停车控制
11.5.3 分级卸载功能
11.5.4 重载的启动询问
11.5.5 停电恢复功能
11.5.6 电站运行情况记录
第五部分 船舶动力定位系统
第12章 动力定位系统设计
12.1 概述
12.2 推进器布置
12.2.1 简单的推进器布置
12.2.2 推进器布置规则
12.3 动力定位系统的组成与配置
12.3.1 动力定位系统的组成
12.3.2 动力定位系统的配置和分级
12.4 动力定位能力计算
12.4.1 概述
12.4.2 有关动力定位能力计算的说明
12.5
中国船级社有关动力定位系统的相关说明
12.5.1 附加标志
12.5.2 定义
12.5.3 故障模式与影响分析
第13章 动力定位系统功能和组成
13.1 概述
13.2 动力定位的模式与功能
13.2.1 动力定位的模式
13.2.2 动力定位的特种功能
13.3 动力定位系统的基本组成
13.4 动力定位产品介绍
第14章 动力定位船舶作业
14.1 概述
14.2 潜水支持作业
14.3 勘察和ROV支持作业
14.4 海床开沟机作业
14.5 铺管作业
14.6 倾倒岩石作业
14.7 采砂挖泥作业
14.8 铺缆与维修作业
14.9 起重船作业
14.10 移动式海底钻井平台作业
14.11 油轮作业
14.12 浮式生产储存装载单元作业
14.13 其他功能和作业
参考文献
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第1章 绪论
1.1 船舶动力定位的定义
随着世界经济的发展，能源和资源问题日趋尖锐，过去不为人们重视的海洋，
现在已成为国际间激烈争夺的领域。由于海洋环境复杂多变，如果没有先进的技
术和设备来装备船舶，即使面对丰富的海洋资源，人们也只能望洋兴叹。因而对于
许多海上作业船来说，动力定位系统（dynamic positioning system，DPS）已成为必
不可少的支持系统。
下面给出国际上有关动力定位的定义。
1.国际海事组织（IMO）的相关定义［1］
（1）动力定位船舶（dynamic positioning vessel）：表示通过推进器推力能够自
动地保持位置（固定位置或预设航迹）的装备或船舶。
（2）动力定位系统：表示动力定位船舶需要装备的全部设备，包括动力系统、
推进系统、动力定位控制系统。
（3）动力定位控制系统（dynamic positioning control system）：表示船舶动力
定位需要的所有控制系统和部件，硬件和软件。动力定位控制系统包括计算机系
统／操纵杆系统、传感器系统、显示系统（操作面板）、位置参考系统以及相关的电缆
铺设和线路选择。
2.挪威船级社（DNV）中船级规范的相关定义［2］
（1）动力定位船舶：通过推进器推力，能够自动保持位置和航向（固定位置或
者预定航迹）的装置和船舶。
（2）动力定位系统：表示动力定位船舶需要装备的全部设备，必须包括动力
系统、推进系统、动力定位控制系统、独立操纵杆系统（适用时）。
（3）动力定位控制系统：表示船舶动力定位所需的所有控制系统和部件、硬
件和软件。动力定位控制系统包括计算机系统、传感器系统、显示系统（操作面
板）、位置参考系统以及相关的电缆铺设和线路选择。
1.2 船舶动力定位的发展史
1.2.1 动力定位产生的背景
石油产品在人类的现代文明中扮演着非常重要的角色，甚至在诺亚时期，沥青
就被用于防止船舶的渗漏。后来，人类发明了越来越多利用石油产品的方法［1］。
石油首先是在里海（CaspianSea）附近的陆地上被发现的，但随着时间的推
移，人们发现油田延伸到了海中。早在18世纪初期，巴库（阿塞拜疆共和国首都）
附近海岸线就曾经钻过一口30m深的油井。虽然这不是一个成功的例子，但它标
志了一个时代的开始。1925年，第一口油井在里海投产。
以下的历史事件说明了钻井平台的发展过程［3］：
1869年，美国人Thomas发明了自升式平台，Samuel开发了自升式船舶的
项目。
1897年，在加利福尼亚的萨姆兰德，产生了从码头连接到海岸的木制石油钻
探设备。
1906年，200个海上生产用井在萨姆兰德海岸建成。路易斯安
那州、得克萨斯州等地出现了11口天然气井。
1924年，在委内瑞拉西北部马拉开波湾湖，出现了第一口油井。
1934年，在阿泰母岛附近的里海，出现了第一口钢结构的石油钻井平台。
1947年，在水深达6m的墨西哥湾建成了石油钻井平台，该平台与路易斯安那
海岸距离已超出了人在岸上的视距。
1963年，出现了钻探深度达75m的自升式平台。
1976年，在南加利福尼亚海，出现了安装深度达260m的钻探平台。
1978年，在南密西西比海岸，出现了安装深度达312m的钻井平台，所用钢铁
重量达59000t。在北海的尼尼安油田，水深为138m处安装了由混凝土浇铸建造
的钻探平台。
1988年，在墨西哥湾出现了安装深度为411m的自升式平台，平台重达
77000t左右。
钻井平台的造价非常高，而且将其从一处迁移到另一处所用的费用将更加昂
贵，因此短期试探性钻井是没有意义的。平台自身对水深（通常300m左右）的限
制使得有必要寻找其他海中采油的方法。工业上迫切需要深海开采石油和更加简
单低廉的移动式钻井作业方法，这导致了锚泊钻井船和可移动钻井平台的出现。一
些锚泊系统或重物用来固定船或钻塔，同时使其海上移动幅度最小。
图1.2 四点锚泊系统示意图［3］
1953年，出现了第一艘采用锚泊系统的钻井船——Submarex号，可在远离加
利福尼亚海岸，水深为120m的海上作业。
1954年，在墨西哥湾出现了第一艘钻井船。
1962年，第一个半潜式钻井平台在美国建成。
1970年，Wodeco4号钻井船可以在水深达456m的海上进行石油钻探。
1976年，泰国建造出了Discoverer534号锚泊船，可在1055m处完成深水钻
探作业，打破了世界纪录。
1984年，在锚泊系统的辅助下，西方国家在300m作业水深处建成了大约30
口油井。
1987年，Discoverer534号锚泊船的钻探深度达到1085m，刷新了深水钻探世
界纪录。
抛锚泊位是将锚抛出去，沉于海底，利用锚爪抓住海底，来抵抗外界对船舶的
干扰。它的优点是：锚是任何船舶都有的定位设备。不需要另外加装定位设备。
它的缺点是：定位不准；抛锚和起锚费时费力；机动性能差，最重要的是它还受到水
深的限制。
因此，作为1957年美国“莫霍深钻计划”的一部分，人们开始研制一种能够满
足深水作业需求的位置保持系统来取代锚泊系统。这项工程的目的是钻到地壳与
地幔间的界限层，就是打穿地球的外壳。为了成功完成这项工程，人们选择了最薄
的区域进行钻探，即大洋的最深处。深度大概是4500m，这对于一般的锚泊系统来
说太深了。CUSS1号船通过在驳船上携带4个可操纵的推进器解决了这个问
题。在海床放下一个传送器用来确定驳船与海床的相对位置，传送器将信号传回
驳船，传送器给出的位置信息能够在随船的一个显示系统上读到。另外，试用了4
个围绕在船周围的锚泊浮标，它们用于向随船雷达发送无线电信号。通过使用4
个不同的推进器及其不同方向的组合，使驳船保持在钻井位置的正上方不动。
1961年3月9日，在加利福尼亚的LaJolla，CUSS1号船在动力定位的辅助下能
在钻探深度为948m处保持位置，一段时间后其在3560m钻探深度同
时打了5口钻井，CUSS1号船的位置可以保持在半径为180m的圆周范围内。
图1.3 1961年，首次出现可进行动力定位的船舶——CUSS1号［3］
发展一个自动控制单元来完成动力定位功能的想法逐渐产生了。1961年，美
国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水，很快自动控制推进器的设备就进行
了装船。1964年，另一艘有相似设备的Caldrill1号船交付给了美国的Caldrill
Offshore公司，Eureka号船和Caldrill1号船的钻探工程都很成功。Eureka号船
在6m高浪和21ms风速下可达到1300m钻探深度。Caldrill1号船可以达到最
大钻探深度2000m，并装备4个可操纵推进器，每个推进器的功率为221kW。船
的位置由两个张紧索参考系统确定。
与此同时，法国对在地中海区域铺设管道产生了兴趣，而动力定位可以使这些
操作更安全、更有效。1963年，法国的首批动力定位船舶——Salvor和Tèrèbel开
始在地中海铺设管道。
几年以后，随着北海石油探险的开始，挪威和英国也开始对动力定位产生兴
趣。英国通用电气有限工程公司在1974年的货轮WimpeySealab装备动力定位。
1977年，法国将半潜式钻井平台Uncle John装备了动力定位设备。
Honeywell在20世纪70年代早期几乎占据了全部的动力定位市场。由于在
北海作业时存在从Honeywell得到服务的相关问题，因此挪威的船主们迫切希望
拥有自己国家生产的动力定位系统，于是在Trondheim开始研究，并且提出了新
一代动力定位概念。KongsbergV狈penfabrikk（KV）被选中来完成这个项目，
StoltNielsen采购了第一个系统。1977年5月17日出现了第一艘使用挪威动力
定位系统的船SEAWAYEAGLE。
自从1961年出现CUSS1号船以来，动力定位已经做了很多改进。其开始为
试探性钻探和铺设管路而设计，现在动力定位已经被用于各种作业中，从地质规
划、军事应用，到湖中游艇的操纵。从1961年到现在动力定位的基本原理都是相
同的，信息领域的迅猛发展导致了动力定位系统的发展，在设备操纵和工程技术方
面都有了长足的进步。
1.2.2 动力定位系统的技术发展现状
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ArtemisMk4，张紧索位置参考系统可选择LTWMk，激光位
置参考系统可选择FanbeamMk4，雷达位置参考系统可选择RADius500X。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［4］。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月在挪威船舶展览会上，著名的Kongsberg Simrad公司展出了一
项新产品——绿色动力定位系统［5，6］，将非线性模型预测控制技术成功地引入动
力定位系统中。绿色动力定位系统的产生在减少燃料消耗和温室气体排放方面，
是动力定位控制系统的一次革命，是一种保护自然环境而又实现动力定位的行之
有效的方法。
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：①推进器和推进器之间的相互作
用；②推进器和船体之间的相互作用；③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DPSIM。初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推进器力的计
算，控制系统采用经典的PID控制算法和扩展卡尔曼滤波算法，风力采用前馈的
形式。同时，Marin还开展了下述工作：动力定位系统和系泊系统联合使用的情
况；扩展了动力定位系统在航迹控制方面的应用，航迹控制功能现已成为动力定位
控制系统的基本要求；动力定位设计阶段的性能评估、功率需求估算。一般认为，
Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。
挪威在20世纪90年代做过动力定位方面的实验，他们将重点放在控制理论
和控制方法上面，在满足李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上，应用现代控制理论
的方法，采取状态反馈和输出反馈两种形式，设计不同的状态观测器，观测速度和
干扰，并以此代替卡尔曼滤波，在比例为1∶70的船模实验中证实定位的效果。
由于系统模型的不精确性，以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳
定性有很大的影响，因此在解决稳定性方面存在优势的H∞控制理论和鲁棒控制
越来越受到了人们的关注。日本的九州（Kyushu）大学还在1∶100的船模实验中
验证了控制结果的有效性。
目前，国际上应用得较为成熟的动力定位控制系统一般都采用第二代控制方
法，而基于第三代控制方法（如自适应模糊控制、自学习模糊控制等）及实时测量和
计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势，世界各国
都正在加紧研制中。
在国外，有些大学以船舶运动为对象进行深入的控制理论研究。如麻省理工
学院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶运动控制［7］，加州大学的Girard、
Hedrick等研究的协调动力定位理论和实验等［8］。
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