[发明专利]基于滚动时域估计的动力定位船舶波频模型参数估计系统

摘要

基于滚动时域估计的动力定位船舶波频模型参数估计系统，涉及船舶动力定位领域，具体涉及动力定位船舶波频模型参数估计系统。为了解决现有的利用带通滤波进行海浪滤波过程中存在的精度有限的问题，本发明包括：波频模型参数估计功能启动模块、时间窗提取模块、测量信息序列提取模块、主导频率预估器、高通滤波器、滚动时域估计器和模型参数估计结束模块；主导频率预估器取出动力定位船舶位置和艏向的测量信息并进行快速傅里叶变换获取谱曲线并确定初始的波频模型参数；高通滤波器对测量信息进行滤波估计出波频运动分量；然后，滚动时域估计器估计出波频模型参数和波频运动估计。本发明适用于动力定位船舶波频模型参数估计。

主权项

1.基于滚动时域估计的动力定位船舶波频模型参数估计系统，其特征在于其包括：波频模型参数估计功能启动模块(4)、时间窗提取模块(5)、测量信息序列提取模块(6)、主导频率预估器(7)、高通滤波器(8)、滚动时域估计器(9)和模型参数估计结束模块(10)；波频模型参数估计功能启动模块(4)，用于实现波频模型参数估计系统(2)的数据初始化；时间窗提取模块(5)，用于从船舶动力定位控制系统(1)数据库里提取一段时间的数据；测量信息序列提取模块(6)，用于从时间窗里提取动力定位船舶的位置和艏向测量信息；主导频率预估器(7)，用于从数据时间窗内取出动力定位船舶位置和艏向的测量信息η，并对其进行快速傅里叶变换，获取测量信息的频谱曲线并确定初始的波频模型参数θ；高通滤波器(8)，对测量信息η进行滤波，估计出波频运动分量滚动时域估计器(9)，使用主导频率预估器(7)估计出的预估波频模型参数和高通滤波器(8)所估计的波频运动分量对波频模型参数进行估计；估计出对应的波频模型参数估计和波频运动估计所述的滚动时域估计器(9)的设计过程如下：波频运动的估计模型为其中，上标^表示估计值，为波频运动状态估计向量，A_w(θ)和C_w为波频模型参数矩阵，ε为估计残差向量，L为估计增益矩阵；为估计的波频运动分量；波频模型参数记为θ＝[ωx ωy ωψ]T  (9)其中，ωx ωy ωψ分别表示纵向、横向和艏向上的主导频率；假设波频模型在参数估计过程中的增广状态记为x＝[θT ξT]T  (11)测量变量记为估计残差为其中，k为当前采样时刻；C为输出矩阵；则增广估计模型为假设采样时间为Ts，对增广估计模型进行一阶前向欧拉离散，则有其中K(k)＝TsL(k)  (17)已知状态先验估计服从正态分布估计时域长度为N，选取滚动时域估计的代价函数为其中，为估计时域到达之前信息的到达代价，使用先验估计来补偿估计时域内状态轨迹的估计偏差；Q和R分别为被估计系统过程噪声和输出噪声的协方差矩阵；对于非线性系统，上述代价函数受到以下约束：公式(18)～(21)描述了一个完全信息问题；考虑到约束条件有其中，X为状态的可行解集；公式(18)～(22)描述的滚动时域估计问题，等价地转换为状态轨迹的联合概率密度极大值问题基于滚动时域估计技术，得到当前时刻最优状态估计假设最优估计附近的概率分布为多元正态分布，则当前概率分布下，非线性系统存在多个局部最优解；引入主导频率预估器(7)提供的预估主导频率作为整个滚动时域估计的波频模型参数初始值；最优波频模型参数为其中h＝[I_3×3 0_3×6]；至此得到增广系统的最优状态估计根据增广系统的状态定义，得到对应的最优估计：波频模型参数最优估计和波频运动最优估计将波频模型参数最优估计和波频运动最优估计做为波频模型参数估计和波频运动估计的最终估计结果；波频模型参数估计结束模块(10)，用于将波频模型参数传递出去，并将船舶动力定位控制系统(1)中的模型更新逻辑设为假，完成波频模型参数估计。