船舶动力定位表示船舶只靠其推进器来抵抗海洋环境干扰,稳定在海平面特定位置或沿期望轨迹行驶。动力定位方式的独特性有无限水深作业、高机动性和精准定位等,其在供给船、钻井平台、铺管船、无人潜水器等的定位作业中应用极广。由于动力定位系统的复杂性,在其滤波、控制及推力分配方面,往往分别进行研究,导致理论性的研究不便于实际工程应用。因此,开展动力定位系统的多方位的研究,不仅在理论上有着指导意义,而且在工程上也有着参考价值。本文以挪威科技大学的一艘供给船模型为研究对象,对动力定位系统的三大核心技术进行了系统的研究,主要工作体现在滤波与状态估计、控制方法与策略以及推力分配优化的研究。在滤波与状态估计方面:首先,通过对船舶运动特征的讨论,完成了相应的低频、高频运动模型的建立,以及风、浪、流等环境模型的建立;其次,通过研究状态估计中的卡尔曼滤波和非线性滤波,提出了一种基于辅助状态观测器的卡尔曼滤波方法,称为外源卡尔曼滤波,并通过与PID控制器构成闭环仿真,分别验证了三种滤波器的状态估计效果;最后,对比分析了三种滤波器的估计误差和信号输出稳定性,仿真结果体现了外源卡尔曼滤波的优越性。在控制方法与策略方面:首先,通过研究滑模控制理论,分别设计了应用于动力定位的线性滑模和终端滑模控制律,并在理论上进行了稳定性证明;其次,搭建了两种控制器的仿真模型,并在理想环境下,仿真分析了其调参特性和抖振情况;最后,将终端滑模控制器结合外源卡尔曼滤波器进行设计,并在环境扰动下,仿真对比了有无滤波器的控制效果。在推力分配优化方面:首先,在考虑多种推进器约束情况下,完成了推力分配优化模型的建立;其次,分别选用遗传算法、序列二次规划算法和粒子群算法,对基于外源卡尔曼的终端滑模控制器所得的合力进行分配,并仿真验证了三种推力分配算法的有效性;最后,结合系统能耗、推进器磨损等情况,对比分析了三种推力优化算法的优缺点。