船舶在海浪中航行时,在波浪扰动力和力矩的作用下必然会产生六自由度的摇摆运动。如果能够对船舶摇摆状态进行估计和预报,将对舰载机起降、船舶减摇、船舶对接等都具有重要意义。因此,船舶运动估计与预报一直是备受关注的课题。本论文结合国防基金预研项目“航母运动极短期预报及舰载机着舰引导姿态预报系统”和“水面舰船姿态预报控制及仿真研究”,基于鲁棒H∞滤波及奇异系统理论对船舶运动估计和预报问题进行研究。论文的研究内容如下：论文基于切片理论,运用流体力学知识对船舶运动模型中水动力系数进行了分析,并对水动力系数进行海浪谱加权处理,建立了基于海浪谱加权平均的船舶运动模型,为船舶运动估计与预报的研究提供了标称模型。在船舶运动水动力系数摄动情况下,通过对卡尔曼滤波误差的分析,论证了采用鲁棒H∞方法研究船舶运动估计和预报的必要性。论文提出了鲁棒H∞估计与预报方法,即综合考虑模型摄动和干扰统计特性未知的因素,针对船舶运动模型摄动设计稳定的滤波器与预报器,并使海浪干扰到船舶运动状态的估计误差和预报误差的衰减水平(H∞范数)小于给定值。主要包括以下三个方面的工作：1.对于船舶运动估计,利用线性矩阵不等式(LMI)方法,设计了基于二次稳定的船舶运动鲁棒H∞滤波器和基于参数依赖Lyapunov函数的船舶运动鲁棒H∞滤波器,并得到了滤波器的稳定条件及其参数矩阵的求解方法。二次稳定意义下的滤波器设计不需考虑系统参数摄动和干扰的具体性状,设计方法简单易行。但该方法要求对于所有允许的不确定参数存在统一的Lyapunov函数,导致具有较大的保守性。基于参数依赖的鲁棒H∞滤波器,是通过设计与系统的不确定性相关联的Lyapunov函数得到的,减少了设计的保守性,提高了船舶运动估计的精度。2.船舶运动系统存在奇异摄动现象,论文提出了基于奇异系统的鲁棒H∞估计器的设计方法,并给出了估计器存在的条件,即误差系统是正则、无脉冲和稳定的,利用LMI方法对参数矩阵进行求解。将该方法应用于船舶运动估计,对基于奇异系统理论的船舶运动估计问题进行了仿真研究,验证了该方法的有效性。3.对于船舶运动预报,提出了船舶运动鲁棒H∞预报器的设计方法,给出了预报器的稳定条件及其参数矩阵的求解过程。将鲁棒H∞预报问题转化为时滞系统的鲁棒H∞滤波问题,并根据时滞依赖和时滞独立的思想,分别设计了预报长度无关型和预报长度相关型鲁棒H∞预报器,利用LMI的线性目标函数最小化方法完成了H∞预报器的求解。该方法解决了模型摄动和海浪干扰统计特性未知时的船舶运动预报问题。