船舶作为海洋运输的主要工具，正在向大型化和高速化方向发展。随着海上交通密度的不断加大，船舶的航行安全越来越受到人们重视，对船舶控制的要求也在不断地提高。自动操舵仪是船舶运动控制系统中不可缺少的重要设备，相当于船舶控制中舵手的角色。而航迹控制算法是航迹自动舵的核心部分，为了提高船舶控制的性能，达到安全节能的目标，研究航迹控制算法的意义十分重要。作为设计船舶运动控制系统的基础，本文建立了船舶运动系统的数学模型。为分析船舶的运动学关系，给出了船舶运动的坐标系以及坐标系之间的变化关系。为了更真实地仿真船舶的操纵性能，以及为设计和测试船舶运动控制系统提供更真实的仿真环境。本文参考IEC62065标准，建立了船舶运动的数学模型以及海浪和海流干扰的数学模型。同时，本文采用非线性一阶野本模型作为船舶控制器的设计模型。并对所建立的模型进行操纵仿真试验，验证了模型的准确性。航向控制是最基本的船舶运动控制方法，是航向自动舵的核心功能，也是船舶航迹控制系统的基本子单元。在船舶运动控制领域，稳定性无疑是一项重要的性能指标。本文将一种新型的自适应鲁棒LQR算法与最小二乘参数辨识方法和反馈线性化方法相结合，设计了一种航向控制算法。该算法不仅具有良好的控制性能，而且保证了航向控制算法的鲁棒性、适应性和稳定性。此外，该方法可以同时实现对航向的控制和对艏摇速率的控制，有效降低程序的复杂度空间。通过仿真试验，验证了本文提出的航向控制算法的性能具有抗干扰能力强，打舵幅度及打舵频率小的优点。航迹控制可以控制船舶跟踪计划航线。制导算法是航迹控制算法的核心内容。本文中航迹制导算法主要包括航行计算、直线制导和曲线制导算法。本文分别给出了在等航向航法和大圆航法中的航行计算方法。本文采用一种新型的曲线制导算法作为直线航迹制导方法。并提出了在直线制导时抑制海流干扰的方法。然后，本文基于控制李雅谱诺夫函数，设计曲线航迹制导方法。该方法保证了曲线航迹制导过程的稳定性。本文也给出了船舶在跟踪曲线航线过程中，抑制海流干扰的方法。通过仿真试验，验证本文中航迹控制方法的控制效果以及抑制海流干扰的能力。基于气象信息的航线规划方法也称气象导航方法，是降低油耗、减少船舶运营成本的有效方法。气象导航根据天气、海况以及船舶特性，通过最优化方法寻找一条最优航线。群体智能仿生优化算法是模拟自然界生物群体行为的一种智能算法，其中蚁群算法就是一种有效的仿生优化算法。本文利用改进蚁群算法作为优化算法，提出了一种可以利用气象预测信息有效节省油耗的导航方法。最后，本文通过仿真对比试验，验证了该方法的有效性和节省油耗的能力。