船舶动力定位系统通过船舶自身的推力来抵抗风、浪、海流等环境干扰力,从而使船舶在海面上保持一定的位置和方向。该系统具有不受水深限制、部署迅速和撤离迅速等优点,同时又能够使船舶实现较为精确的机动。因此,对于大多数在海上作业的船舶来说,动力定位系统是必要的支持系统。为了提高船舶动力定位系统的性能,本文对船舶航向检测以及动力定位控制方法展开了研究。船舶磁航向系统是一种利用地球磁场测量船舶磁航向角的装置,它的精度直接影响船舶动力定位系统的控制精度。作为磁航向系统的核心传感器,三轴磁力计的误差是磁航向系统误差的主要来源。本文在分析三轴磁力计的各项误差来源的基础上,建立了三轴磁力计的误差线性化模型,并在模型的基础上,针对不同的使用环境,设计了四元素、七元素和十元素这三种磁场校正算法,为研究船舶动力定位系统的控制方法奠定了坚实的基础。船舶在海面上的综合运动包括了由风力、海流力、二阶波浪力、推进力造成的低频运动和一阶波浪力造成的高频运动。由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变,为了避免不必要的能量浪费和推进器系统的磨损,一般从测得的综合位置信号中分离出低频信号进行控制。本文在合理的假设条件下,建立并推导出了环境干扰力模型和船舶动力定位系统的简化模型,并将两者相结合,基于无源性理论设计了一种非线性无源观测器。在不同海况下的仿真试验表明,该非线性无源观测器对于船舶运动的高低频信号都能进行有效的估计,可以实现船舶的高频运动滤波和低频运动状态重构。本文为实现船舶的动力定位控制,首先利用微分同胚变换将船舶的位置变量变换到随船坐标系中,实现多变量耦合状态的初步解耦,并对系统之间的相互影响进行了稳定性分析,分析结果使得在控制器设计中只考虑低阶本质非线性子系统的状态收敛性即可,由此简化了控制器的设计,最后利用反步法设计了船舶动力定位系统的控制器,并与所设计的非线性无源观测器相结合,实现了船舶动力定位控制的全局渐近稳定,并可使部分状态以指数速率收敛于系统的平衡点。仿真试验表明,所设计的控制器在不同海况下均具有良好的效果。