[發明專利]面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計方法及系統

有效

• 申請號: 201410083211.6
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103838970A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 馮輝;徐海祥;李文娟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 胡鎮西;胡紅林

技術領域

本發明屬于船舶與海洋工程領域，具體涉及一種面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計方法及系統。

背景技術

當今世界各國面臨著嚴重的能源短缺問題，而海洋中蘊藏著豐富的資源，因此世界各國都競相將戰略重心轉移到海洋領域，投入大量的人力和物力進行海洋地質考察、油氣開采、水產捕撈、海洋調查以及水下考古等研究工作。我國召開的黨的十八大也將建設海洋強國提高到國家戰略層面。發展先進的海洋技術和裝備對于開發海洋資源，維護國家海洋權益等起到極其重要的作用。

船舶動力定位系統廣泛的應用于深海鉆井船、海底鋪纜船等許多重要的深海作業船舶，已經成為不可缺少的支持系統。從國內外研究的現狀來看，船舶動力定位系統主要集中在控制系統的設計上，卻忽視信息處理方面的研究。然而，信息處理對于船舶定位系統的精確定位也起到至關重要的作用。作為信息處理的核心部分——狀態估計濾波器，通過對傳感器信號進行濾波，移除噪聲干擾信號，并對船舶的運動狀態和參數進行最優估計，從而為控制系統提供精確的輸入。因此，狀態估計濾波器在整個動力定位系統中扮演著不可或缺的角色。

但是，現有船舶動力定位系統所使用的狀態估計濾波器存在以下問題：經典的卡爾曼濾波器僅適用于線性系統的狀態估計；擴展卡爾曼濾波器雖然能夠應用到非線性系統中，但是其存在較大的估計誤差，因此狀態估計的精度無法滿足實際應用需求；盡管非線性無源觀測器很好的克服了擴展卡爾曼濾波器的缺點，成功的應用于非線性系統的狀態估計，但是，在通常情況下，當由一階波浪力引入的噪聲參數不能準確估計的情況下，會導致波浪頻率的估計存在較大誤差，使得濾波精度下降甚至發散。雖然，滾動時域估計和粒子濾波在狀態估計的性能上都有了較大的提升，但是如何減少算法的計算復雜度仍然是個問題。另外，無論對于經典卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波還是粒子濾波，噪聲參數對濾波性能的影響極為明顯。由于低頻非線性運動模型較為復雜，現有的算法側重于對高頻線性運動模型中的參數進行估計，就單個參數估計算法而言，基于預測誤差估計的方法存在估計精度不高，算法易發散的問題；基于極大似然估計的方法難以處理帶有缺失數據的參數估計問題。

發明內容

本發明目的在于克服上述現有技術的不足而提供一種面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計方法及系統，該方法充分考慮高頻線性運動與低頻非線性運動之間的差異，提出了分別適用于高頻和低頻運動的噪聲參數估計方法，并在此基礎上提出了基于邊緣化粒子濾波的狀態估計方法，使得在提高狀態估計精度的同時又兼顧實時性。

實現本發明目的采用的技術方案是一種面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計方法，該方法包括：

將由一階波浪力引起的高頻信號從低頻船舶運動信號中分離出來，得到高頻運動分量和低頻運動分量；

分別對所述高頻運動分量和低頻運動分量進行參數估計和狀態估計；

將所述參數估計和狀態估計的結果作為下一周期參數估計和狀態估計的輸入，重復上述步驟直至結束。

本發明還提供一種面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計系統，該系統包括：

高低頻信號分離模塊，用于將由一階波浪力引起的高頻信號從低頻船舶運動信號中分離出來，得到高頻運動分量和低頻運動分量；

高頻線性參數估計模塊，用于對所述高頻運動分量進行高頻噪聲參數估計；

邊緣化粒子濾波模塊中的卡爾曼濾波子模塊，用于利用所述高頻線性參數估計模塊估計的噪聲參數實現高頻運動分量的狀態估計，并將估計結果作為下一周期高頻線性參數估計模塊的輸入；

低頻非線性參數估計模塊，用于對所述低頻運動分量進行低頻參數估計；以及

邊緣化粒子濾波模塊中的粒子濾波子模塊，用于利用所述低頻非線性參數估計模塊估計得到的低頻噪聲參數，實現低頻運動分量的狀態估計，并將估計結果作為下一周期低頻線性參數估計模塊的輸入。

附圖說明

圖1為本發明面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計系統的結構框圖。

圖2為本發明面向深海船舶動力定位的高精度實時狀態估計方法的流程圖。

圖3為針對高頻線性運動模型的參數估計流程圖。

圖4為針對低頻非線性運動模型的參數估計流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。