Dieser Artikel nutzt das globale Positionssystem (GPS) und die Manövrierfähigkeit von ozeanischen Wasserfahrzeugen, um Navigationsprobleme zwischen unbemannten Wasseroberflächenfahrzeugen (USV) und autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) zu untersuchen, und schlägt eine Methode zur Zustandsschätzung eines mobilen AUV basierend auf der Optimierung der USV-Trajektorie vor. Durch die Analyse des Dopplereffekts auf die Ankunftsfrequenz akustischer Signale (FOA), die von einem einzelnen Wasserflächen-USV empfangen werden, lassen sich Position und Geschwindigkeit des AUV synchron schätzen, was eine robuste Lösung ohne Zeit-Synchronisation bietet. Darüber hinaus verbessert die dynamische Anpassung der USV-Trajektorie zur Konstruktion einer optimalen USV–AUV-Messgeometrie die Beobachtbarkeit des AUV und steigert die Leistung der Zustandsschätzung. Die Innovation der Methode liegt in einer maßgeschneiderten Kostenfunktion basierend auf der Cramér–Rao-Untere Schranke (CRLB) zur Analyse der Beobachtbarkeit und geometrischer Zwänge. Die Funktion integriert: (1) CRLB – zur Optimierung der Systembeobachtbarkeit und damit der Schätzgenauigkeit; (2) Distanzterm – zur Sicherstellung eines angemessenen Abstands zwischen USV und AUV; (3) Lenkungsraten-Term – zur Anpassung der USV-Ausrichtung zur Verbesserung der Verfolgungsfähigkeit. Die Minimierung der Kostenfunktion erfolgt mit dem Partikelschwarmoptimierungsalgorithmus, um einen robusten AUV-Verfolgungsrahmen durch mehrkomponentige Balance zu erreichen. Umfassende Simulationen wurden durchgeführt, um die Auswirkungen verschiedener Faktoren wie USV-Trajektorienkomplexität, AUV-Tauchstiefe, Messfrequenz, Datenverlustquote und Rauschpegel auf die Navigationsleistung zu verifizieren. Die Simulationsergebnisse zeigen die signifikante Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bei der Zustandsabschätzung und Verfolgung des AUV.

Ankunftsfrequenz;Gleitfeldschätzung;Trajektorienoptimierung;Unbemanntes Wasseroberflächenfahrzeug;Autonomes Unterwasserfahrzeug;Navigation