fix(app-F): 修正全局方向信息投影与误差指标

用实化干扰切空间统一 CP/IP 的 Schur 补与秩判据,明确放松 CP 与 IP 的等价条件。

补充传播方向符号、固定方向 rate 映射、参数单位及球面局部误差度量。
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@@ -235,7 +235,10 @@
$\ddot\nu_\ell$ & 第 $\ell$ 条链路的归一化 Doppler-rate 导数,单位为 rad/sample$^3$;仅用于短窗口近似的高阶误差判据。\\
$\nu_\ell^{\mathrm{Hz}}$ & 第 $\ell$ 条链路的物理 Doppler,单位为 Hz;仅在需要物理单位解释时使用。\\
$\Delta f_\ell(\boldsymbol\xi)$、$\Delta f_\ell(\mathbf p)$ & 分别为远场全局方向模型、有限距离位置模型中第 $\ell$ 条链路相对于参考链路的物理 FDOA,单位为 Hz。\\
$\epsilon_D$ & Doppler 符号约定,取 $+1$ 或 $-1$,用于统一上行/下行传播方向的符号。\\
$\epsilon_D$ & 公共传播方向模型的 Doppler 投影符号,取 $-1$;约定见 \eqref{eq:sec3_propagation_steering}。\\
$f_\ell,\dot f_\ell$ & 多帧模型的物理 Doppler(Hz)及对物理时间的导数(Hz/s);$f_\ell$ 与 $\nu_\ell^{\mathrm{Hz}}$ 同义。\\
$\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}}$ & 参考时刻的卫星轨道加速度(m/s$^2$),区别于阵列导向矢量 $\mathbf a_\ell$。\\
$t_{\mathrm{ref}}$ & 多帧观测首帧首采样点的物理参考时刻。\\
$\boldsymbol\nu=[\nu_1,\ldots,\nu_K]^\Tran$ & 单阵列 \gls{doa}--Doppler 模型中所有信源归一化角 Doppler 的集合。\\
$\tau_\ell$ & 第 $\ell$ 条链路上的离散时延。 若它由参考星时延诱导得到,应在参考星参数化中说明其映射。\\
$\delta_\ell$ & 第 $\ell$ 颗卫星相对参考星的时间戳误差,单位为采样点数;参考星 $\delta_{\ell_{\mathrm{ref}}}=0$,其余作为部分相干观测模型中的干扰参数。\\
@@ -246,7 +249,9 @@
物理 Doppler 与归一化角 Doppler 的关系统一写为
%
\begin{equation}
\nu = 2\pi\nu^{\mathrm{Hz}} T_{\mathrm{s}}.
\nu = 2\pi\nu^{\mathrm{Hz}} T_{\mathrm{s}},
\qquad
\dot\nu=2\pi T_{\mathrm s}^{2}\frac{\mathrm d\nu^{\mathrm{Hz}}}{\mathrm d t_{\mathrm{phys}}}.
\end{equation}
%
因此,正文估计参数默认使用 $(\nu,\dot\nu)$,而 $\nu^{\mathrm{Hz}}$ 仅用于物理单位解释。
+1 -1
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@@ -321,7 +321,7 @@ $\zeta_\ell\in\mathbb C$ 为第 $\ell$ 条链路的未知复干扰系数,$\sig
%
其中 $\dfrac{\partial\nu_\ell}{\partial\boldsymbol\eta^\Tran}$ 取 \eqref{eq:A6_domega};其角度部分记 $\dfrac{\partial\mathbf q_\ell}{\partial\boldsymbol\xi^\Tran}=\left(\dfrac{\partial\mathbf q_\ell}{\partial\nu_\ell}\right)\,\left(\dfrac{\partial\nu_\ell}{\partial\boldsymbol\xi^\Tran}\right)\in\mathbb C^{T\times2}$,$\nu_{\mathrm{ref}}$ 列因 $\dfrac{\partial\nu_\ell}{\partial\nu_{\mathrm{ref}}}=1$ 即 $\dfrac{\partial\mathbf q_\ell}{\partial\nu_\ell}$。
对空时导向向量 $\mathbf g_\ell=\mathbf q_\ell\otimes \mathbf a_\ell$ 应用 Kronecker 积求导法则。注意 $\mathbf a_\ell$ 不依赖 $\nu_{\mathrm{ref}}$、$\mathbf q_\ell$ 不依赖角度,其关于主参数 $\boldsymbol\eta$ 的 Jacobian 按角度块与 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 列分块为
对空时导向向量 $\mathbf g_\ell=\mathbf q_\ell\otimes \mathbf a_\ell$ 应用 Kronecker 积求导法则。注意 $\mathbf a_\ell$ 不依赖 $\nu_{\mathrm{ref}}$,而 $\mathbf q_\ell$ 通过 $\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 依赖角度;其关于主参数 $\boldsymbol\eta$ 的 Jacobian 按角度块与 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 列分块为
%
\begin{equation}
\mathbf D_\ell
+162 -47
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@@ -33,6 +33,20 @@
%
并将 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数处理。为避免重复建模,这里只保留 \gls{crb} 推导所需的最小定义、导数记号与 \gls{fim}/\gls{efim} 结构。
用 K/U 分别标记参考 Doppler rate 已知/未知,三种配置均保留相同的三维主参数。在幅度严格为正的局部工作点,影响均值的干扰参数与实维数为
%
\begin{equation}
\begin{array}{c|c|c}
\text{配置} & \text{干扰参数} & \text{实维数}\\ \hline
\text{CP-K} & \{\chi_\ell\},\{\rho_{\ell,p}\} & L+LP\\
\text{CP-U} & \dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\},\{\rho_{\ell,p}\} & 1+L+LP\\
\text{IP-U} & \dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\vartheta_{\ell,p}\},\{\rho_{\ell,p}\} & 1+2LP
\end{array}
\label{eq:A7_parameter_dimensions}
\end{equation}
%
若各星噪声方差未知,完整干扰参数另增加 $L$ 维,与均值参数 Fisher 块解耦。复增益已由幅度与相位表示,不再额外引入一组独立复路径增益;K 配置固定的是参考 rate,各星相对 rate 仍通过全局方向变化。
\subsubsection{沿用正文模型的最小定义与导数记号}
沿用第~\ref{subsec:dynamicCpModel} 小节中的\gls{cp} 模板与块级向量化方式。对任意卫星 $\ell=0,\ldots,L-1$ 与帧 $p=0,\ldots,P-1$,定义\gls{cp} 模板
@@ -112,6 +126,24 @@
%
其中已利用正文中的几何参数化:$\dfrac{\partial \nu_\ell}{\partial \nu_{\mathrm{ref}}}=1$,$\dfrac{\partial \dot\nu_\ell}{\partial \dot\nu_{\mathrm{ref}}}=1$。这里的显式导数采用正文中的加性参考星参数化,$\nu_\ell=\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 且 $\dot\nu_\ell=\dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$;若改用一般映射,只需将上述两个导数替换为对应链式法则项。
对固定方向模型,角度导数可直接由 \eqref{eq:sec3_dnu_projection} 与 \eqref{eq:sec5_relative_rate_fixed_direction} 给出:
%
\begin{equation}
\begin{aligned}
\frac{\partial\nu_\ell}{\partial x}
&=\frac{2\pi T_{\mathrm s}\epsilon_D}{\lambda_{\mathrm c}}
\Delta\mathbf v_\ell^\Tran\frac{\partial\mathbf u}{\partial x},\\
\frac{\partial\dot\nu_\ell}{\partial x}
&=\frac{2\pi T_{\mathrm s}^2\epsilon_D}{\lambda_{\mathrm c}}
(\Delta\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}})^\Tran
\frac{\partial\mathbf u}{\partial x},
\qquad x\in\{\alpha,\beta\}.
\end{aligned}
\label{eq:A7_direction_doppler_derivatives}
\end{equation}
%
所有角度导数以弧度为自变量,$\epsilon_D=-1$;旋转矩阵及参考时刻星历在求参数导数时保持已知。空间导数由 \eqref{eq:A6_uloc_jac} 与 \eqref{eq:sec3_propagation_steering} 直接链式计算,可避免在局部角极点处使用 atan2/arcsin 导数。
于是空时模板对主参数与 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 的导数分别为
%
\begin{equation}
@@ -224,7 +256,7 @@
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\triangleq \rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell},\qquad \rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\in\mathbb R_{\ge0}.
\end{equation}
%
在常规局部 \gls{crb} 推导中默认真实工作点满足 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}>0$,从而幅度--相位参数化在该点局部可微且相位参数可辨识;若某些块的幅度为零,则对应相位不可辨识,应在数值实现中删除该相位列或采用广义逆形式的 \gls{efim}。
在常规局部 \gls{crb} 推导中默认真实工作点满足 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}>0$,从而幅度参数位于非负约束的内部。同星公共相位仍可由该星其他非零幅度块提供信息,不能仅因一个块幅度为零就删除该星相位列;若该星所有块幅度均为零,其公共相位列才整体为零。零幅度边界须另行分析约束与可辨识性,不能仅靠广义逆恢复常规局部 \gls{crb}。
则第 $(\ell,p)$ 个观测块的均值为
%
\begin{equation}
@@ -346,7 +378,7 @@
\label{eq:A7_Ieff_cp}
\end{equation}
%
其中 \eqref{eq:A7_Ieff_cp} 默认 $\mathcal I_{\psi\psi}^{\mathrm{cp}}$ 在考虑的局部工作点非奇异。若由于低信噪比、零幅度块或几何退化导致干扰参数块秩亏,则数值仿真中应将 $\big(\mathcal I_{\psi\psi}^{\mathrm{cp}}\big)^{-1}$ 替换为 Moore--Penrose 广义逆 $\big(\mathcal I_{\psi\psi}^{\mathrm{cp}}\big)^{\dagger}$,并将所得结果解释为广义 \gls{efim}。
其中 \eqref{eq:A7_Ieff_cp} 默认 $\mathcal I_{\psi\psi}^{\mathrm{cp}}$ 在考虑的局部工作点非奇异。若内部工作点存在冗余干扰方向,可按实切空间投影使用 Moore--Penrose 广义逆构造广义 Schur 补,见 \eqref{eq:A7_efim_projection_interpret}。在正定噪声协方差下,有限信噪比降低本身不改变精确秩,数值病态须与结构性秩亏区分。从 \gls{efim} 求完整主参数的逆还须满足 \eqref{eq:A7_real_rank_condition}。
从而其 \gls{crb} 为
%
\begin{equation}
@@ -499,7 +531,7 @@
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp,rel}}=\zeta^{(r)}_{\ell,p}+j\zeta^{(i)}_{\ell,p}.
\end{equation}
%
这里模板仍然是 $\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}$,因此该模型只是放松了块复系数结构,并未放弃跨帧\gls{cp} 模板。
这里模板仍然是 $\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}$,但自由块复系数可以吸收每帧常相位;保留绝对时间模板不再保留结构化 \gls{cp} 的同星公共相位约束。该放松模型与 \gls{ip} 的参数对应见 \eqref{eq:A8_rel_ip_equivalence}。
令扩展参数向量为
%
@@ -681,26 +713,43 @@
\mathbf R_n^{-1/2}\mathbf J_{\psi}
\end{equation}
%
为白化 Jacobian。则 Schur 补可写成
为白化 Jacobian。由于主参数与干扰参数均为实参数,先定义实化矩阵
%
\begin{equation}
\mathbf A\triangleq
\begin{bmatrix}\Re\{\bar{\mathbf J}_{\eta}\}\\\Im\{\bar{\mathbf J}_{\eta}\}\end{bmatrix},
\qquad
\mathbf B\triangleq
\begin{bmatrix}\Re\{\bar{\mathbf J}_{\psi}\}\\\Im\{\bar{\mathbf J}_{\psi}\}\end{bmatrix}.
\label{eq:A7_realified_jacobians}
\end{equation}
%
完整均值参数的 Fisher 信息为 $2[\mathbf A,\mathbf B]^\Tran[\mathbf A,\mathbf B]$。对干扰参数执行 Schur 补得到
%
\begin{equation}
\mathcal I_{\mathrm{e}}
=
2\Re\left\{
\bar{\mathbf J}_{\eta}^{\Herm}
\mathcal P_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}^{\perp}
\bar{\mathbf J}_{\eta}
\right\},
2\mathbf A^\Tran\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}\mathbf A,
\qquad
\mathcal P_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}^{\perp}
\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}
=
\mathbf I-
\bar{\mathbf J}_{\psi}
\left(\bar{\mathbf J}_{\psi}^{\Herm}\bar{\mathbf J}_{\psi}\right)^{\dagger}
\bar{\mathbf J}_{\psi}^{\Herm}.
\mathbf I-\mathbf B\mathbf B^\dagger.
\label{eq:A7_efim_projection_interpret}
\end{equation}
%
实化保证干扰扰动的系数为实数。直接向 $\bar{\mathbf J}_{\psi}$ 的复列空间正交补投影,一般会扩大可消去的干扰空间;只有被消去的实切空间本身对乘以 $j$ 封闭时,才可改用复投影,例如逐块自由复增益的实部与虚部成对消元。结构化 \gls{cp} 的实幅度、共享相位及实值 Doppler rate 须按 \eqref{eq:A7_efim_projection_interpret} 处理。
一个最小检验是已知方向与 rate 的单星两帧模型:各帧仅在时间索引 $0,1$ 处观测一个样本,幅度真值均为 $1$,公共相位及参考 Doppler 真值均为 $0$,噪声复方差为 $1$。对参数 $(\nu,\rho_0,\rho_1,\chi)$ 的均值 Jacobian 为
%
\begin{equation}
\mathbf J=\begin{bmatrix}0&1&0&j\\j&0&1&j\end{bmatrix},
\qquad
\mathcal I_{\nu,\mathrm e}=2-\frac{2^2}{4}=1.
\label{eq:A7_real_projection_counterexample}
\end{equation}
%
若错误地将两个实幅度列按复系数投影,它们已张成整个 $\mathbb C^2$,会得到零信息,丢失两帧相位差对 Doppler 的约束。
因此,对任意实扰动 $\delta\boldsymbol\eta$,有
%
\begin{equation}
@@ -709,8 +758,7 @@
\delta\boldsymbol\eta
=
2\left\|
\mathcal P_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}^{\perp}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
\right\|_2^2.
\label{eq:A7_efim_quadratic_projection}
\end{equation}
@@ -722,8 +770,7 @@
\quad\Longleftrightarrow\quad
\exists\ \delta\boldsymbol\eta\neq\mathbf 0,
\quad
\mathcal P_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}^{\perp}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
=
\mathbf 0,
\label{eq:A7_exact_absorbed_direction}
@@ -732,46 +779,51 @@
也即
%
\begin{equation}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
\in
\operatorname{range}(\bar{\mathbf J}_{\psi}).
\operatorname{range}_{\mathbb R}(\mathbf B).
\label{eq:A7_range_absorbed_direction}
\end{equation}
%
近奇异情形对应于
%
\begin{equation}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
\approx
\bar{\mathbf J}_{\psi}\delta\boldsymbol\psi,
\mathbf B\delta\boldsymbol\psi,
\qquad \delta\boldsymbol\psi\in\mathbb R^{\dim\boldsymbol\psi_\mu},
\label{eq:A7_near_nuisance_absorption}
\end{equation}
%
即主参数扰动产生的一阶均值变化可以由干扰参数扰动近似表示。
即主参数扰动产生的一阶均值变化可以由实干扰参数扰动近似表示。对本节三个主参数,常规局部 \gls{crb} 存在的条件为
%
\begin{equation}
\operatorname{rank}\big(\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}\mathbf A\big)=3.
\label{eq:A7_real_rank_condition}
\end{equation}
%
只有满足 \eqref{eq:A7_real_rank_condition} 才能将 $\mathcal I_{\mathrm e}^{-1}$ 解释为完整主参数的局部无偏协方差下界。若秩亏,应报告不可辨识方向;$\mathcal I_{\mathrm e}^{\dagger}$ 只用于满足相应可估条件的函数或已声明约束下的子空间,不能把零特征值方向解释为零误差界。
为了把这种近似表示写成可度量的量,定义最小投影角
%
\begin{equation}
\sin^2\theta_{\min}
\triangleq
\min_{\delta\boldsymbol\eta\neq\mathbf 0}
\min_{\mathbf A\delta\boldsymbol\eta\neq\mathbf 0}
\frac{
\left\|
\mathcal P_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}^{\perp}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathcal P_{\mathbf B}^{\perp}\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
\right\|_2^2
}{
\left\|
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\mathbf A\delta\boldsymbol\eta
\right\|_2^2
}.
\label{eq:A7_min_projection_angle}
\end{equation}
%
式~\eqref{eq:A7_efim_quadratic_projection} 表明,\gls{efim} 在某个方向上的有效信息正比于该方向
得分在干扰子空间正交补上的残余能量。因此,当 $\theta_{\min}\approx0$ 时,
$\mathcal I_{\mathrm{e}}$ 会出现小特征值;若同时多星几何使其他方向的信息快速增加,
则 $\kappa(\mathcal I_{\mathrm{e}})$ 会显著变大。
得分在实干扰子空间正交补上的残余能量。定义域排除了零原始得分;若存在非零 $\delta\boldsymbol\eta$ 使 $\mathbf A\delta\boldsymbol\eta=\mathbf0$,则已直接违反 \eqref{eq:A7_real_rank_condition}。$\theta_{\min}$ 衡量相对于原始得分能量的信息损失比例,实际小特征值还取决于得分尺度;比较条件数时应先统一参数单位并声明尺度归一化。
接下来把上述投影解释专门用于 \gls{doa}--Doppler 耦合。将 \gls{efim} 按
$\boldsymbol\eta=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$ 分块为
@@ -1441,12 +1493,20 @@ $\mathcal T_{\mathrm{sub}}=\{\tau_{p_1},\ldots,\tau_{p_Q}\}$,则
\subsubsection{与 A7 中放松连续相位结果的关系}
式~\eqref{eq:A8_IP_FIM_etadotnu} 给出的扩展 \gls{fim}的投影型结构与\appref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb} 中 放松 \gls{cp} 模型的结果形式一致,但两者对应的\emph{时间模板不同}:
\begin{itemize}
\item \appref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb} 使用的是\gls{cp} 模板 $\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}$,其中通过 $t_{p,t}=\tau_p+t$ 保留了跨帧绝对相位连续性;
\item 本附录使用的是\gls{ip} 模板 $\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}$,其中帧间常相位项已被 $\vartheta_{\ell,p}$ 吸收,只保留帧内局部相位演化。
\end{itemize}
因此,两类模型的差异不在 Schur 补的代数形式本身,而在模板里是否保留跨帧连续相位结构。这也正是正文中``\gls{cp} vs.~\gls{ip}''对比的统计本质。
在相同 Doppler/rate 映射、噪声和采样配置下,放松 \gls{cp} 与 \gls{ip} 的模板只相差块常相位:
%
\begin{equation}
\begin{aligned}
c_{\ell,p}&\triangleq\nu_\ell\tau_p+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell\tau_p^2,\\
\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}&=e^{jc_{\ell,p}}\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p},
\qquad
\zeta^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}
=\zeta^{\mathrm{cp,rel}}_{\ell,p}e^{jc_{\ell,p}}.
\end{aligned}
\label{eq:A8_rel_ip_equivalence}
\end{equation}
%
自由复增益使 \eqref{eq:A8_rel_ip_equivalence} 成为可逆的干扰参数重参数化。对主参数求导产生的附加项 $j\left(\dfrac{\partial c_{\ell,p}}{\partial x}\right)\mathbf g_{\ell,p}$ 落在块复增益的干扰切空间内,消元后两种写法给出相同的扩展 \gls{efim},进一步消去 rate 后也相同。结构化 \gls{cp} 则限制同星各帧共享相位,不能逐块吸收这些常相位;其与 \gls{ip} 的信息差异来自这一约束。
从 \gls{efim} 病态的角度看,\gls{ip} 模型与 放松 \gls{cp} 模型共享同一类投影解释。若定义白化 Jacobian
%
@@ -1462,25 +1522,20 @@ $\mathcal T_{\mathrm{sub}}=\{\tau_{p_1},\ldots,\tau_{p_Q}\}$,则
\frac{\partial\boldsymbol\mu^{\mathrm{ip}}}{\partial\boldsymbol\psi^{\mathrm{ip}}_{\mu}},
\end{equation}
%
则式~\eqref{eq:A8_IP_EFIM_eta} 等价于
将这些矩阵按 \eqref{eq:A7_realified_jacobians} 实化为 $\mathbf A^{\mathrm{ip}}$ 与 $\mathbf B^{\mathrm{ip}}$,则式~\eqref{eq:A8_IP_EFIM_eta} 的广义 Schur 补形式为
%
\begin{equation}
\mathcal I^{\mathrm{ip}}_{\mathrm{e}}
=
2\Re\left\{
(\bar{\mathbf J}^{\mathrm{ip}}_{\eta})^{\Herm}
\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}^{\mathrm{ip}}_{\psi}}
\bar{\mathbf J}^{\mathrm{ip}}_{\eta}
\right\}.
2(\mathbf A^{\mathrm{ip}})^\Tran
\big(\mathbf I-\mathbf B^{\mathrm{ip}}(\mathbf B^{\mathrm{ip}})^\dagger\big)
\mathbf A^{\mathrm{ip}}.
\label{eq:A8_IP_EFIM_projection}
\end{equation}
%
因此,\gls{ip} 模型下的弱可辨识方向仍由
$\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}^{\mathrm{ip}}_{\psi}}\bar{\mathbf J}^{\mathrm{ip}}_{\eta}$
的秩和最小奇异方向决定。与 A7 中的 放松 \gls{cp} 模型相比,二者的主要区别不在
Schur 补代数形式,而在 $\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}$ 使用局部时间索引并允许每个
$(\ell,p)$ 块具有独立相位 $\vartheta_{\ell,p}$。这些自由相位会吸收跨帧绝对相位所携带的公共
Doppler 截距信息,因此通常不会缓解 \gls{doa}--Doppler--rate 耦合,而是构成一个更保守的相干性基线。
$\mathcal P^{\perp}_{\mathbf B^{\mathrm{ip}}}\mathbf A^{\mathrm{ip}}$
的实秩和最小奇异方向决定。仅消去逐块自由复增益时,式~\eqref{eq:A8_IP_FIM_block_eff} 的复投影是合法简化;将实值 rate 一并消去时须使用实 Schur 补或 \eqref{eq:A8_IP_EFIM_projection},完整主参数求逆仍需满足 \eqref{eq:A7_real_rank_condition}。在相同工作点,放开结构化 \gls{cp} 的公共相位约束只会减少或保持有效信息;这不意味着每个归一化耦合系数都会单调增大。
\subsubsection{关于噪声方差参数的说明}
@@ -1496,3 +1551,63 @@ Doppler 截距信息,因此通常不会缓解 \gls{doa}--Doppler--rate 耦合
因此,将 $\sigma_\ell$ 视为未知量不会改变式~\eqref{eq:A8_IP_FIM_etadotnu} 与式~\eqref{eq:A8_IP_EFIM_eta} 的形式,只是在完整 \gls{fim}中附加一个与其他参数解耦的对角块。
至此,动态多帧主线的两类性能界已经形成闭环: \appref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb} 对应\gls{cp}/放松 \gls{cp} 模型,本附录对应\gls{ip} 基线模型。二者共享同一主参数 $\boldsymbol\eta$,因而可以直接比较相位连续性对 \gls{doa}--Doppler 信息保留能力的影响。
\subsection{全局方向与参考 Doppler 的局部误差指标}
\label{subsec:globalDirectionErrorMetrics}
上述信息矩阵以弧度及归一化 Doppler 为参数单位。为将局部界与误差指标对应,设 \eqref{eq:A7_real_rank_condition} 成立,记 $\mathbf C_\eta=\mathcal I_{\mathrm e}^{-1}$,其角度子块为 $\mathbf C_\xi$。对局部无偏估计,角度分量方差界为 $[\mathbf C_\eta]_{11}$ 与 $[\mathbf C_\eta]_{22}$;周期方位角误差须先在真值附近展开。标准差界取方差界的平方根,度单位的方差界再乘 $(180/\pi)^2$。
公共方向夹角定义为 $\theta=\arccos(\mathbf u^\Tran\widehat{\mathbf u})$。在零误差处 $\arccos$ 的普通一阶导数不可用;由单位向量的切向变化得到局部二阶度量。令 $\mathbf U=\partial\mathbf u/\partial\boldsymbol\xi^\Tran$,则
%
\begin{equation}
\mathbf U^\Tran\mathbf U
=\begin{bmatrix}\cos^2\beta&0\\0&1\end{bmatrix}
\triangleq\mathbf W_\xi,
\qquad
\theta^2
=\delta\boldsymbol\xi^\Tran\mathbf W_\xi\delta\boldsymbol\xi
+o(\|\delta\boldsymbol\xi\|_2^2).
\label{eq:A7_direction_local_metric}
\end{equation}
%
因此,小误差、局部无偏条件下,夹角均方误差的局部二阶下界为
%
\begin{equation}
B_\theta
\triangleq\operatorname{tr}(\mathbf W_\xi\mathbf C_\xi)
=\cos^2\beta[\mathbf C_\eta]_{11}+[\mathbf C_\eta]_{22}.
\label{eq:A7_direction_mse_bound}
\end{equation}
%
$B_\theta$ 的单位为 rad$^2$,对应的夹角均方根误差界为 $\sqrt{B_\theta}$;这不是对任意有限误差或有偏估计器的全局界。有偏估计的局部角度均方误差还含偏差二次项,须使用相应有偏界。在 $\beta=\pm\pi/2$ 处方位角坐标退化,应在二维正交切平面基下重新参数化并构造信息,不能用退化角坐标的伪逆解释完整方向精度。
参考 Doppler 的物理单位界由 \eqref{eq:sec5_physical_normalized_rates} 换算:
%
\begin{equation}
B_{f_{\mathrm{ref}}}
=\frac{[\mathbf C_\eta]_{33}}{(2\pi T_{\mathrm s})^2},
\qquad
\sqrt{B_{f_{\mathrm{ref}}}}
=\frac{\sqrt{[\mathbf C_\eta]_{33}}}{2\pi T_{\mathrm s}}.
\label{eq:A7_physical_doppler_bound}
\end{equation}
%
两者单位分别为 Hz$^2$ 与 Hz。若另报告未知参考 rate 的精度,应从消去幅相干扰后的扩展四维协方差 $\mathbf C_{\mathrm{ext}}$ 取第 $4$ 个对角元,再除以 $(2\pi T_{\mathrm s}^2)^2$;rate 已知时不报告其估计方差。
导数实现若采用度、Hz 与 Hz/s,可用一次参数变换统一核对。令
%
\begin{equation}
\begin{aligned}
\boldsymbol z
&=[\alpha_{\mathrm{deg}},\beta_{\mathrm{deg}},f_{\mathrm{ref}},\dot f_{\mathrm{ref}}]^\Tran,\\
\boldsymbol\eta_{\mathrm{ext}}&=\mathbf S\boldsymbol z,\qquad
\mathbf S=\operatorname{diag}\left(\frac{\pi}{180},\frac{\pi}{180},
2\pi T_{\mathrm s},2\pi T_{\mathrm s}^2\right),\\
\mathbf J_z&=\mathbf J_{\eta_{\mathrm{ext}}}\mathbf S,\qquad
\mathcal I_z=\mathbf S^\Tran\mathcal I_{\eta_{\mathrm{ext}}}\mathbf S,\qquad
\mathbf C_z=\mathbf S^{-1}\mathbf C_{\mathrm{ext}}\mathbf S^{-\Tran}.
\end{aligned}
\label{eq:A7_parameter_unit_transform}
\end{equation}
%
K 配置删除 rate 行列即可;这些关系要求比较同一均值模型、同一工作点和同一干扰参数配置。
+14 -2
View File
@@ -32,6 +32,8 @@
%
其中 $\alpha$ 为全局方位角,$\beta$ 为全局俯仰角;多用户场景下可写为 $\boldsymbol\xi_k$,本节单用户主线中省略下标。
本节及其多帧扩展以参考时刻的 \gls{eci} 系作为全局系,$\mathbf u$ 指向波的传播方向(源到接收端)。角度顺序为 $(\alpha,\beta)$,解析导数均按弧度计算;$\alpha$ 按 $2\pi$ 周期识别,$\beta\in[-\pi/2,\pi/2]$。在极点处方位角坐标退化,应改用局部切平面描述方向扰动。
设第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的位置与速度分别为 $\mathbf s_\ell$ 和 $\mathbf v_\ell$。其本地阵列坐标基为
%
\begin{equation}
@@ -110,7 +112,17 @@
%
其中 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 为参考时刻、参考卫星链路上的归一化 Doppler。多帧动态模型中主估计目标默认仍是同一个 $\boldsymbol\eta$,而参考链路 Doppler rate $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 放入干扰参数侧。
在远场公共方向模型下,相对 Doppler 的几何含义可以显式写出。令 $\lambda_{\mathrm c}$ 为载波波长,$\epsilon_D\in\{+1,-1\}$ 表示所采用的上行/下行传播方向符号约定,则第 $\ell$ 条链路相对于参考链路的物理 FDOA 为
在远场公共方向模型下,相对 Doppler 的几何含义可以显式写出。采用正时间指数载波约定,传播平面波在位置 $\mathbf r$、物理时刻 $t_{\mathrm{phys}}$ 的相位含 $2\pi f_{\mathrm c}t_{\mathrm{phys}}-(2\pi/\lambda_{\mathrm c})\mathbf r^\Tran\mathbf u$,其中 $f_{\mathrm c}$ 与 $\lambda_{\mathrm c}$ 分别为载频与波长。因此,第 $m$ 个阵元相对于阵列原点的本地位移 $\mathbf r_{\ell,m}^{\mathrm{loc}}$ 对应
%
\begin{equation}
[\mathbf a_\ell]_m
=\exp\left\{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm c}}
(\mathbf r_{\ell,m}^{\mathrm{loc}})^\Tran
\boldsymbol\Omega_\ell^\Tran\mathbf u\right\}.
\label{eq:sec3_propagation_steering}
\end{equation}
%
这与第~\ref{subsec:single_arr_array_model} 小节的负指数阵列模板一致。接收端沿传播方向运动时,相位时间导数降低,故在基带 $e^{j2\pi f t_{\mathrm{phys}}}$ 约定下取 $\epsilon_D=-1$。保留 $\epsilon_D$ 作为符号约定记号,则第 $\ell$ 条链路相对于参考链路的物理 FDOA 为
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\begin{equation}
\Delta f_\ell(\boldsymbol\xi)
@@ -136,7 +148,7 @@
\label{eq:sec3_dnu_projection}
\end{equation}
%
因此,$\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 是已知相对速度在共享全局方向上的投影,而不是额外独立的 Doppler 参数。该映射要求相对星历和频率标定可用;若每条链路还含未标定的独立频率偏置,应将该偏置另列为干扰参数,不能继续把 $\Delta\nu_\ell$ 视为已知几何量。有限距离时应将共同方向替换为逐星视线,所需的 FDOA 表达式见式~\eqref{eq:sec7_dnu_pos}。
因此,$\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 是已知相对速度在共享全局方向上的投影,而不是额外独立的 Doppler 参数。该映射要求相对星历和频率标定可用;若每条链路还含未标定的独立频率偏置,应将该偏置另列为干扰参数,不能继续把 $\Delta\nu_\ell$ 视为已知几何量。若使用反向视线 $\mathbf w=-\mathbf u$,则同一物理模型必须同时改写为空间正指数和相对 Doppler 的正号投影,不能只翻转一个符号。有限距离位置模型另有逐星视线定义,见第~\ref{sec:userPositioning} 节。
给定 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})$ 后,其余卫星的链路参数统一通过几何映射表示为
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+47 -1
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@@ -24,6 +24,52 @@
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由已知几何唯一诱导,沿用第~\ref{subsec:refSatParameterization} 小节的参考星参数化。
物理参考时刻 $t_{\mathrm{ref}}$ 取首帧首采样点,物理时间为 $t_{\mathrm{phys}}=t_{\mathrm{ref}}+T_{\mathrm s}t_{p,t}$;卫星速度、加速度与姿态均在同一参考时刻取值。若物理 Doppler 及其对秒的导数分别记为 $f_\ell$(Hz)和 $\dot f_\ell$(Hz/s),则
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\begin{equation}
\nu_\ell=2\pi T_{\mathrm s}f_\ell,
\qquad
\dot\nu_\ell=2\pi T_{\mathrm s}^{2}\dot f_\ell.
\label{eq:sec5_physical_normalized_rates}
\end{equation}
%
这里 $\dot\nu_\ell$ 是相对于采样点索引的 Doppler rate。令 $\Delta\mathbf v_\ell=\mathbf v_\ell-\mathbf v_{\ell_{\mathrm{ref}}}$、$\Delta\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}}=\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}}-\mathbf a_{\ell_{\mathrm{ref}}}^{\mathrm{orb}}$,其中 $\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}}$ 为轨道加速度向量。对相对速度投影按物理时间求导,有
%
\begin{equation}
\frac{\mathrm d}{\mathrm d t_{\mathrm{phys}}}\Delta f_\ell
=\frac{\epsilon_D}{\lambda_{\mathrm c}}
\left[
(\Delta\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}})^\Tran\mathbf u
+\Delta\mathbf v_\ell^\Tran
\frac{\mathrm d\mathbf u}{\mathrm d t_{\mathrm{phys}}}
\right].
\label{eq:sec5_relative_rate_general}
\end{equation}
%
本节固定全局方向,采用 $\mathrm d\mathbf u/\mathrm d t_{\mathrm{phys}}=\mathbf0$ 的局部模型,故
%
\begin{equation}
\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)
=\frac{2\pi T_{\mathrm s}^{2}\epsilon_D}{\lambda_{\mathrm c}}
(\Delta\mathbf a_\ell^{\mathrm{orb}})^\Tran\mathbf u(\boldsymbol\xi),
\qquad \epsilon_D=-1.
\label{eq:sec5_relative_rate_fixed_direction}
\end{equation}
%
若实际方向随时间变化,被省略的项须另行评估;空间导向变化可忽略本身并不保证该项的相位贡献可忽略。其在局部二次相位中的误差量级为
%
\begin{equation}
\frac{\pi}{\lambda_{\mathrm c}}
\max_\ell\left|
\Delta\mathbf v_\ell^\Tran
\frac{\mathrm d\mathbf u}{\mathrm d t_{\mathrm{phys}}}
\right|
\left(T_{\mathrm s}\max_{p,t}|t_{p,t}|\right)^2.
\label{eq:sec5_direction_rate_phase_error}
\end{equation}
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采用固定方向近似时,应使 \eqref{eq:sec5_direction_rate_phase_error} 远小于 $1$ rad;各导数量在参考时刻评估,该局部条件与后述高阶时间截断条件分别检查。
\subsection{连续相位多帧信号模型(CP)}
\label{subsec:dynamicCpModel}
@@ -238,7 +284,7 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{ip}}_\ell.
\end{equation}
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三种准则的差别在于复增益处理方式:结构化 \gls{cp}(CP-str)保留跨帧公共相位约束;放松 \gls{cp}(CP-rel)放松为每块自由复系数(仍用 \gls{cp} 相位模板);\gls{ip} 则放弃跨帧绝对相位、采用块独立相位模板。逐项闭式消元、匹配统计量 $z^{\mathrm{cp/ip}}_{\ell,p}$ 与归一化因子 $d^{\mathrm{cp/ip}}_{\ell,p}$ 的定义、各种残差 $\mathcal R^{\mathrm{cp,str/rel/ip}}_\ell$ 的具体表达见\appref{sec:multiFrameCrb}。
结构化 \gls{cp}(CP-str)保留跨帧公共相位约束;放松 \gls{cp}(CP-rel)与 \gls{ip} 均允许每块自由复增益。在相同 Doppler/rate 映射与观测配置下,后两者的时间模板仅相差可被块增益吸收的常相位,集中准则和主参数 \gls{efim} 相同,参数对应见 \eqref{eq:A8_rel_ip_equivalence}。逐项闭式消元、匹配统计量 $z^{\mathrm{cp/ip}}_{\ell,p}$ 与归一化因子 $d^{\mathrm{cp/ip}}_{\ell,p}$ 的定义、各种残差 $\mathcal R^{\mathrm{cp,str/rel/ip}}_\ell$ 的具体表达见\appref{sec:multiFrameCrb}。
\subsection{Doppler rate 处理:CP-K 与 CP-U}