content(sec): 正文 sec1/2/3/6 重组——过渡段、集中似然结论化、详细推导引用附录

按 agent_instruction.md §3.2/§2.4 的 "一节一维度" 与 "正文止于集中似然" 原则重写:

sec1 多快拍确定信号 DoA:开门见山引入多快拍场景;新增 ULA/UPA
子节(迁自 02-modeling §4.5);ŝ_t 与 σ̂ 的逐步矩阵代入压缩为
闭式结论 + 引用附录 D.1;末尾新增随机信号对比小节,详细 SML 推导
引用附录 D.3。X 改名为 S 与新符号约定一致。

sec2 加入 Doppler:新过渡段明确 "新维度=时间相位结构";信号模型
迁入 02-modeling §4.3 的归一化角 Doppler 与导频约定;ζ̂、σ̂ 闭式
消元收敛为投影残差结论 + 引用附录 D.2。

sec3 多星协作(单用户):过渡段强化参考星参数化的动机(避免主参
数膨胀到 2+L);全局/局部 DoA 映射、归一化 Doppler 与时间索引、
参考星参数化三小节迁自 02-modeling §4.4,保留 subsec:globalLocalDoaMap、
subsec:dopplerNormalization、subsec:refSatParameterization 三个
被 sec6/E 跨节引用的 label;联合似然的 ζ_ℓ/σ_ℓ 闭式消元归并为
单个结论式 + 引用附录 E。仿真图与说明保留。

sec6 多帧动态 CP/IP:过渡段说明这是另一独立维度扩展,不叠加
多用户与时间戳误差;CP/IP 模型定义保留;CP 结构化 MLE、relaxed
MLE 与 IP MLE 的详细 ρ̂/ζ̂ 闭式消元统一压缩为三类残差对照
+ 引用附录 G;CP-K/CP-U 派生与 single-sat orthogonality
作为结论引用附录 G.1;EFIM 投影解释与 Doppler comb / tooth
ambiguity 保留高层结论,矩阵代入与 Dirichlet 窗口完整推导引用附录。

02-modeling.tex 内容已分别迁入 sec1/sec2/sec3,文件归档;主文件
\input 列表去掉对应行。
This commit is contained in:
2026-06-14 22:10:52 +08:00
parent 5d9a652b77
commit 8448cd6bdb
6 changed files with 418 additions and 1002 deletions
-1
View File
@@ -136,7 +136,6 @@
\end{abstract} \end{abstract}
\input{parts/preface.tex} \input{parts/preface.tex}
\input{parts/02-modeling.tex}
\input{parts/sec1_singleArrayDoa.tex} \input{parts/sec1_singleArrayDoa.tex}
\input{parts/sec2_singleArrayDoaDoppler.tex} \input{parts/sec2_singleArrayDoaDoppler.tex}
\input{parts/sec3_multiSatSingleUser.tex} \input{parts/sec3_multiSatSingleUser.tex}
+135 -70
View File
@@ -1,108 +1,173 @@
\section{确定信号 DoA 估计\texorpdfstring{~\cite{stoicaMusicMaximumLikelihood1989}}{}} \section{多快拍确定信号 DoA 估计\texorpdfstring{~\cite{stoicaMusicMaximumLikelihood1989}}{}}
\label{sec:det_doa_est} \label{sec:det_doa_est}
本节是单阵列基线层的第一个似然推导:在第~\ref{subsec:single_arr_doa_est} 小节的观测模型基础上,将源信号在每个快拍处的取值视为确定性未知量,从而得到条件/确定最大似然问题。该推导的重点不在多星几何,而在建立投影矩阵、集中似然和干扰参数消元的基本模板;对应的 \gls{crb} 推导放在 \ref{sec:det_doa_crb} 中。 本节是整份笔记的实质起点。
不再讨论单快拍极简情形——单快拍下 \gls{mle} 退化平凡,无法承载后续要复用的投影、集中似然与干扰参数消元等基本工具。
直接从多快拍场景出发:$K$ 个信源从远场入射到 $M$ 元阵列,在 $T$ 个快拍内连续观测,目标是估计来向 $\bm\Theta$。
本节先建立信号模型与对数似然函数,再以集中似然消去信号快拍与噪声方差后得到的 \gls{cdml} 准则收尾;详细矩阵代入与 \gls{crb} 推导见附录~\ref{sec:det_doa_crb}。
\subsection{似然函数求取} \subsection{信号模型}
\label{subsec:single_arr_doa_est}
本节沿用式~\eqref{eq:single_arr_doa_model} 的单阵列 DoA 观测模型,并采用全文统一的快拍索引 $t=0,1,\ldots,T-1$。为简化本节公式,记 假设 $K$ 个信源的来向参数收集为
\begin{equation} \begin{equation}
\sigma \triangleq \sigma_n^2. \bm{\Theta}
\triangleq
\left[\bm{\theta}_1,\ldots,\bm{\theta}_K\right],
\end{equation} \end{equation}
由于噪声 $\mathbf n_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma\mathbf I_M)$,且 $\mathbf x_t$ 为确定性未知信号快拍,有 $M$ 元阵列在第 $t$ 个快拍的接收向量记为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf y_t\sim\mathcal{CN}\big(\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf x_t,\sigma\mathbf I_M\big). \label{eq:single_arr_doa_model}
\end{equation} \mathbf y_t
因此,根据式~\eqref{eq:independent_complex_gaussian_pdf},所有快拍的似然函数为
\begin{equation}
L(\sigma,\{\mathbf x_t\}_{t=0}^{T-1},\bm\Theta\mid \{\mathbf y_t\}_{t=0}^{T-1})
= =
(\pi\sigma)^{-MT} \mathbf A(\bm{\Theta})\mathbf s_t + \mathbf n_t,
\exp\left[ \qquad t=0,1,\ldots,T-1,
-\frac{1}{\sigma}
\sum_{t=0}^{T-1}\left\|\mathbf y_t-\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf x_t\right\|_2^2
\right].
\end{equation} \end{equation}
对应的对数似然函数为 其中:
\begin{itemize}
\item 观测向量 $\mathbf y_t \in \mathbb C^{M\times 1}$;
\item 导向矩阵
$
\mathbf A(\bm{\Theta})
\triangleq
\left[\mathbf a(\bm{\theta}_1),\ldots,\mathbf a(\bm{\theta}_K)\right]
\in \mathbb C^{M\times K}
$,其中 $\mathbf a(\bm{\theta}_k)$ 为第 $k$ 个信源对应的导向矢量;
\item 信源快拍 $\mathbf s_t=[s_1(t),\ldots,s_K(t)]^\Tran\in\mathbb C^{K\times 1}$,作为确定性未知量;
\item 噪声向量 $\mathbf n_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_n^2\mathbf I_M)$。
\end{itemize}
将所有快拍按列堆叠得到矩阵形式
\begin{equation}
\mathbf Y = \mathbf A(\bm{\Theta})\mathbf S + \mathbf N,
\end{equation}
其中 $\mathbf Y\in\mathbb C^{M\times T}$、$\mathbf S\in\mathbb C^{K\times T}$、$\mathbf N\in\mathbb C^{M\times T}$ 为相应的堆叠矩阵。
本节待估主参数为
\begin{equation*}
\boldsymbol\eta
\triangleq
\vect(\bm\Theta)
=
\left[\bm\theta_1^\Tran,\ldots,\bm\theta_K^\Tran\right]^\Tran,
\end{equation*}
干扰参数为信源快拍 $\{\mathbf s_t\}$ 与噪声方差 $\sigma_n^2$。
\subsection{阵列模型:ULA 与 UPA}
\label{subsec:single_arr_array_model}
为完整闭合 $\mathbf a(\bm\theta_k)$ 的形式,下面给出两种最常用阵列的导向矢量。这里先以单阵列为对象,多卫星协作场景下的全局/局部坐标映射在 \S\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节统一引入。
\subsubsection{ULA}
\label{subsubsec:single_arr_ula_model}
对于 \gls{ula},阵元间距为 $d$,工作波长为 $\lambda_{\mathrm{c}}$,第 $k$ 个信源的到达角为标量 $\theta_k$。导向矢量为
\begin{equation}
\mathbf a_{\mathrm{ULA}}(\theta_k)
=
\begin{bmatrix}
1,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}d\sin\theta_k},
\ldots,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}(M-1)d\sin\theta_k}
\end{bmatrix}^\Tran
\in\mathbb C^{M\times 1}.
\end{equation}
\subsubsection{UPA}
\label{subsubsec:single_arr_upa_model}
对于 \gls{upa},阵列位于 $xOy$ 平面内,沿 $x$ 轴和 $y$ 轴分别等间距排布,阵元数为 $M_x$ 与 $M_y$,间距为 $d_x$ 与 $d_y$,总阵元数 $M=M_xM_y$。统一采用与全局方向一致的二维角度
\begin{equation}
\bm\theta_k
\triangleq
\begin{bmatrix}
\alpha_k\\
\beta_k
\end{bmatrix},
\qquad
u_{x,k}\triangleq\cos\beta_k\cos\alpha_k,
\qquad
u_{y,k}\triangleq\cos\beta_k\sin\alpha_k,
\end{equation}
则两个方向的一维导向矢量分别为
\begin{subequations}
\begin{align}
\mathbf a_x(\bm\theta_k)
&=
\begin{bmatrix}
1,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}d_xu_{x,k}},
\ldots,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}(M_x-1)d_xu_{x,k}}
\end{bmatrix}^\Tran,\\
\mathbf a_y(\bm\theta_k)
&=
\begin{bmatrix}
1,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}d_yu_{y,k}},
\ldots,
e^{-j\frac{2\pi}{\lambda_{\mathrm{c}}}(M_y-1)d_yu_{y,k}}
\end{bmatrix}^\Tran.
\end{align}
\end{subequations}
\gls{upa} 总导向矢量为 $\mathbf a_{\mathrm{UPA}}(\bm\theta_k)=\mathbf a_y(\bm\theta_k)\otimes\mathbf a_x(\bm\theta_k)\in\mathbb C^{M\times 1}$。
\subsection{对数似然与确定最大似然准则}
记 $\sigma\triangleq\sigma_n^2$。由 $\mathbf n_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma\mathbf I_M)$ 及 $\mathbf s_t$ 的确定性假设,有 $\mathbf y_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf s_t,\sigma\mathbf I_M)$。各快拍独立,对数似然为
\begin{equation} \begin{equation}
\label{eq:det_ml_log_likelihood} \label{eq:det_ml_log_likelihood}
\ln \mathcal L \ln \mathcal L(\sigma,\{\mathbf s_t\},\bm\Theta)
= =
\mathrm{Const} \mathrm{Const}
-MT\ln\sigma -MT\ln\sigma
-\frac{1}{\sigma}\sum_{t=0}^{T-1}\left\|\mathbf y_t-\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf x_t\right\|_2^2. -\frac{1}{\sigma}\sum_{t=0}^{T-1}\left\|\mathbf y_t-\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf s_t\right\|_2^2.
\end{equation} \end{equation}
其中待估计参数包括噪声方差 $\sigma$,确定信号快拍 $\{\mathbf x_t\}_{t=0}^{T-1}$ 的实部和虚部,以及多源来向集合 $\bm\Theta$。 对应的 \gls{dml}/\gls{cml} 优化问题为
\subsection{确定/条件最大似然估计}
\subsubsection{原始问题建模}
\Gls{dml}/\gls{cml} 优化问题可以表述为
\begin{alignat}{2} \begin{alignat}{2}
\label{eq:det_ml_doa_opt} \label{eq:det_ml_doa_opt}
&\minimize_{\bm\Theta,\{\mathbf x_t\},\sigma} \quad && &\minimize_{\bm\Theta,\{\mathbf s_t\},\sigma} \quad &&
MT\ln\sigma MT\ln\sigma
+ +
\frac{1}{\sigma}\sum_{t=0}^{T-1}\left\|\mathbf y_t-\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf x_t\right\|_2^2 \frac{1}{\sigma}\sum_{t=0}^{T-1}\left\|\mathbf y_t-\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf s_t\right\|_2^2.
\nonumber\\
&\text{subject to} && \bm\Theta\in\varTheta,
\end{alignat} \end{alignat}
其中 $\varTheta$ 为 $\bm\Theta$ 的可行域。
\subsubsection{集中似然表达} \subsection{集中似然与投影残差准则}
我们关心的是信号的来向 $\bm\Theta$,因此将对数似然函数中的其他参量,包括噪声方差 $\sigma$ 与信号快拍 $\{\mathbf x_t\}_{t=0}^{T-1}$,均用 $\bm\Theta$ 和观测 $\{\mathbf y_t\}_{t=0}^{T-1}$ 表示。 我们关心的是 $\bm\Theta$,因此把信源快拍 $\{\mathbf s_t\}$ 与噪声方差 $\sigma$ 视为干扰参数集中消去。对固定的 $\bm\Theta$,逐一最小化得到的闭式解为
对固定的 $\bm\Theta$,令 $\partial\ln\mathcal L/\partial\mathbf x_t=0$,可得
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\mathbf x}_t(\bm\Theta) \widehat{\mathbf s}_t(\bm\Theta)
= =
\left[\mathbf A^\Herm\mathbf A\right]^{-1}\mathbf A^\Herm\mathbf y_t. \left(\mathbf A^\Herm\mathbf A\right)^{-1}\mathbf A^\Herm\mathbf y_t,
\end{equation} \qquad
令 $\partial\ln\mathcal L/\partial\sigma=0$,并代入 $\widehat{\mathbf x}_t$,可得
\begin{align}
\widehat\sigma(\bm\Theta) \widehat\sigma(\bm\Theta)
&= =
\frac{1}{MT}\sum_{t=0}^{T-1} \frac{1}{M}\tr\!\left[\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A}\right)\widehat{\mathbf R}\right],
\left\|\mathbf y_t-\mathbf A\widehat{\mathbf x}_t\right\|_2^2 \nonumber\\ \end{equation}
&=
\frac{1}{MT}\sum_{t=0}^{T-1}
\mathbf y_t^\Herm
\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A}\right)
\mathbf y_t,
\end{align}
其中 其中
\begin{equation} \begin{equation}
\mathcal P_{\mathbf A} \mathcal P_{\mathbf A}
\triangleq \triangleq
\mathbf A(\mathbf A^\Herm\mathbf A)^{-1}\mathbf A^\Herm \mathbf A(\mathbf A^\Herm\mathbf A)^{-1}\mathbf A^\Herm,
\end{equation} \qquad
为导向矩阵列空间的投影算子。进一步定义样本协方差矩阵
\begin{equation}
\widehat{\mathbf R} \widehat{\mathbf R}
\triangleq \triangleq
\frac{1}{T}\sum_{t=0}^{T-1}\mathbf y_t\mathbf y_t^\Herm, \frac{1}{T}\sum_{t=0}^{T-1}\mathbf y_t\mathbf y_t^\Herm.
\end{equation} \end{equation}
则 $\mathcal P_{\mathbf A}$ 是导向矩阵列空间的正交投影算子,将贯穿后续所有章节作为消去信号/复增益干扰参数的核心工具;$\widehat{\mathbf R}$ 为样本协方差矩阵。代回式~\eqref{eq:det_ml_log_likelihood} 并忽略与 $\bm\Theta$ 无关的项后,$\bm\Theta$ 的 \gls{cdml} 化为
\begin{equation}
\widehat\sigma(\bm\Theta)
=
\frac{1}{M}\tr\left[\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A}\right)\widehat{\mathbf R}\right].
\end{equation}
代入式~\eqref{eq:det_ml_log_likelihood} 并忽略与 $\bm\Theta$ 无关的项后,$\bm\Theta$ 的 \gls{cdml} 可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}} \widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}}
= =
\argmin_{\bm\Theta} \argmin_{\bm\Theta}
\tr\left[\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A(\bm\Theta)}\right)\widehat{\mathbf R}\right]. \tr\!\left[\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A(\bm\Theta)}\right)\widehat{\mathbf R}\right].
\end{equation} \end{equation}
也即 $\bm\Theta$ 的 \gls{cdml} 可以通过最小化 也即把 $\bm\Theta$ 的来向估计等价为最小化投影残差能量。集中似然的逐步矩阵代入与对应的 \gls{crb}/\gls{fim} 推导见附录~\ref{sec:det_doa_crb}。
\begin{equation}
\mathcal J(\bm\Theta)
\triangleq
\tr\left[\left(\mathbf I_M-\mathcal P_{\mathbf A(\bm\Theta)}\right)\widehat{\mathbf R}\right]
\end{equation}
得到。
本节得到的形式说明:当信号快拍被视为确定性干扰参数时,DoA 信息通过阵列导向子空间的投影残差体现。下一节的随机信号模型将改变信源统计假设,但仍沿用同一个单阵列几何入口。 本节得到的结构性结论是:当信源快拍被视为确定性干扰参数时,DoA 信息体现为阵列导向子空间的投影残差能量;上述投影模板与集中似然将在后续每一节中复用。
\subsection{随机信号模型的对比与取舍}
\label{subsec:sml_contrast}
经典文献中另一条主线是随机信号模型,即把 $\mathbf s_t$ 视为零均值复高斯过程 $\mathbf s_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\mathbf P)$。此时观测协方差为 $\mathbf R(\bm\Theta)=\mathbf A(\bm\Theta)\mathbf P\mathbf A^\Herm(\bm\Theta)+\sigma\mathbf I_M$,\gls{sml} 似然只通过 $\mathbf R(\bm\Theta)$ 依赖参数,从而只能识别信号子空间而非信号波形。
一旦引入 Doppler,时间相位项 $e^{j\nu_k t}$ 会被随机信号波形的统计平均吸收,DoA 与 Doppler 不可分离;这是本笔记后续主线选择确定信号假设(已知训练序列/导频)的根本原因。
随机信号 DoA 估计与其 \gls{crb} 仅作为对照保留在附录~\ref{sec:sto_doa_crb} 中供查阅,不再进入第~\ref{sec:det_doa_doppler_est} 节及之后的主线。
+44 -85
View File
@@ -1,48 +1,56 @@
\section{确定信号 DoA--Doppler 估计} \section{加入 Doppler——单阵列确定信号 DoA--Doppler 估计}
\label{sec:det_doa_doppler_est} \label{sec:det_doa_doppler_est}
本节在单阵列确定信号 DoA 模板上加入归一化角 Doppler $\nu_k$,是从纯空间阵列模型过渡到空时导向模型的桥梁。若仍把发送信号 $x_k(t)$ 在每一时刻都视为自由未知量,则 Doppler 项 $e^{j\nu_k t}$ 会被吸收进未知的 $x_k(t)$ 中,从而使 $\nu_k$ 不可辨识并导致 \gls{crb} 奇异。因此,本节沿用第~\ref{subsec:single_arr_doa_doppler_est} 小节的归一化 Doppler 约定,并显式引入已知导频序列 $s_k(t)$。当 $s_k(t)\equiv1$ 时,下面模型退化为常包络导频或单音模型。 第~\ref{sec:det_doa_est} 节假设信源在观测窗口内时间相位被吸收进未知信号波形 $\mathbf S$。当信源带有 Doppler 时,时间相位变为 $e^{j\nu_k t}$,不能再被任意未知波形吸收,否则 $\nu_k$ 不可辨识、\gls{crb} 奇异。
本节沿一个新维度推进问题——\emph{时间相位结构}——其余维度保持最简:仍是单阵列、单观测块、信源已知导频 $s_k(t)$。引入归一化角 Doppler $\nu_k$ 与未知复增益 $\zeta_k$,并由此得到空时导向向量 $\mathbf b_{\mathrm{st},k}$ 的 Kronecker 结构。
详细 \gls{crb} 推导见附录~\ref{sec:det_doa_doppler_crb}。
\subsection{似然函数求取} \subsection{信号模型}
\label{subsec:single_arr_doa_doppler_est}
定义第 $k$ 个信源的导频加权时间模板为 本节默认 $\nu_k$ 表示第 $k$ 个信源的\emph{归一化角 Doppler},单位为 rad/sample;若需要物理 Hz 单位,应显式写作 $\nu_k^{\mathrm{Hz}}$,二者通过采样周期 $T_{\mathrm{s}}$ 一次性换算。Doppler 向量记为
\begin{equation}
\boldsymbol\nu
\triangleq
[\nu_1,\ldots,\nu_K]^\Tran.
\end{equation}
将每个信源的导频 $s_k(t)$ 视为已知,复增益 $\zeta_k\in\mathbb C$ 与归一化 Doppler $\nu_k$ 视为待估。第 $k$ 个信源的导频加权时间模板为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf q_k(\nu_k) \mathbf q_k(\nu_k)
\triangleq \triangleq
\begin{bmatrix} \begin{bmatrix}
s_k(0)e^{j\nu_k\cdot0} \\ s_k(0)e^{j\nu_k\cdot0}, &
s_k(1)e^{j\nu_k\cdot1} \\ s_k(1)e^{j\nu_k\cdot1}, &
\vdots \\ \cdots, &
s_k(T-1)e^{j\nu_k(T-1)} s_k(T-1)e^{j\nu_k(T-1)}
\end{bmatrix} \end{bmatrix}^\Tran
\in\mathbb C^{T\times1}. \in\mathbb C^{T\times1}.
\end{equation} \end{equation}
令 $\mathbf a_k\triangleq\mathbf a(\bm\theta_k)$,并将第 $k$ 个信源的未知复增益记为 $\zeta_k$,则所有快拍可写为 所有快拍写成矩阵形式
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf Y \mathbf Y
= =
\sum_{k=1}^{K}\zeta_k\mathbf a(\bm\theta_k)\mathbf q_k^\Tran(\nu_k) \sum_{k=1}^{K}\zeta_k\mathbf a(\bm\theta_k)\mathbf q_k^\Tran(\nu_k)
+ +
\mathbf N, \mathbf N.
\end{equation} \end{equation}
其中 $\mathbf Y=[\mathbf y_0,\ldots,\mathbf y_{T-1}]\in\mathbb C^{M\times T}$,$\mathbf N=[\mathbf n_0,\ldots,\mathbf n_{T-1}]\in\mathbb C^{M\times T}$。
进一步定义第 $k$ 个信源的空时导向列向量和整体空时字典为 进一步定义第 $k$ 个信源的空时导向向量与整体空时字典
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf b_{\mathrm{st},k}(\bm\theta_k,\nu_k) \mathbf b_{\mathrm{st},k}(\bm\theta_k,\nu_k)
\triangleq \triangleq
\mathbf q_k(\nu_k)\otimes\mathbf a(\bm\theta_k) \mathbf q_k(\nu_k)\otimes\mathbf a(\bm\theta_k)
\in\mathbb C^{MT\times1}, \in\mathbb C^{MT\times1},
\end{equation} \qquad
\begin{equation}
\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu) \mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)
\triangleq \triangleq
\left[ \left[
\mathbf b_{\mathrm{st},1},\ldots,\mathbf b_{\mathrm{st},K} \mathbf b_{\mathrm{st},1},\ldots,\mathbf b_{\mathrm{st},K}
\right] \right]
\in\mathbb C^{MT\times K}. \in\mathbb C^{MT\times K},
\end{equation} \end{equation}
定义信源复增益向量 $\boldsymbol\zeta=[\zeta_1,\ldots,\zeta_K]^\Tran$,则接收信号可以进一步表示为 并记复增益向量 $\boldsymbol\zeta=[\zeta_1,\ldots,\zeta_K]^\Tran$。则向量化观测模型为
\begin{equation} \begin{equation}
\label{eq:vec_det_doa_doppler_recv_sig} \label{eq:vec_det_doa_doppler_recv_sig}
\tilde{\mathbf y} \tilde{\mathbf y}
@@ -53,26 +61,13 @@
+ +
\tilde{\mathbf n}, \tilde{\mathbf n},
\qquad \qquad
\tilde{\mathbf n}\triangleq\vect(\mathbf N). \tilde{\mathbf n}\triangleq\vect(\mathbf N)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma\mathbf I_{MT}).
\end{equation} \end{equation}
$\mathbf b_{\mathrm{st},k}$ 的 Kronecker 结构把空间维度的 $\mathbf a(\bm\theta_k)$ 与时间维度的 $\mathbf q_k(\nu_k)$ 解耦在两个因子上,是本节相比于第~\ref{sec:det_doa_est} 节的核心新结构。
由于噪声在时间和空间上均不相关,且 $\tilde{\mathbf n}\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma\mathbf I_{MT})$,其中 $\sigma\triangleq\sigma_n^2$,有 \subsection{对数似然}
\begin{equation}
\tilde{\mathbf y} 由于 $\tilde{\mathbf y}\sim\mathcal{CN}(\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta,\sigma\mathbf I_{MT})$,对数似然为
\sim
\mathcal{CN}\big(\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta,\sigma\mathbf I_{MT}\big).
\end{equation}
因此,观测似然函数为
\begin{equation}
L(\sigma,\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta)
=
(\pi\sigma)^{-MT}
\exp\left[
-\frac{1}{\sigma}
\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2
\right],
\end{equation}
对应对数似然函数为
\begin{equation} \begin{equation}
\label{eq:singlelog_likelihood} \label{eq:singlelog_likelihood}
\ln\mathcal L(\sigma,\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta) \ln\mathcal L(\sigma,\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta)
@@ -82,69 +77,32 @@
-\frac{1}{\sigma} -\frac{1}{\sigma}
\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2. \left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2.
\end{equation} \end{equation}
对应的 \gls{dml}/\gls{cml} 优化问题为
\subsection{确定/条件最大似然} \begin{equation}
\subsubsection{原始问题建模}
\Gls{dml}/\gls{cml} 优化问题可以表述为
\begin{alignat}{2}
\label{eq:det_ml_doa_doppler_opt} \label{eq:det_ml_doa_doppler_opt}
&\minimize_{\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta,\sigma} \quad && \minimize_{\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta,\sigma}
\;\;
MT\ln\sigma MT\ln\sigma
+ +
\frac{1}{\sigma}\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2 \frac{1}{\sigma}\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2.
\nonumber\\ \end{equation}
&\text{subject to} && \bm\Theta\in\varTheta.
\end{alignat}
\subsubsection{集中似然表达} \subsection{集中似然与联合 DoA--Doppler 准则}
我们关心的是信号来向 $\bm\Theta$ 和 Doppler $\boldsymbol\nu$。假设 $\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)$ 列满秩,则对固定的 $(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)$,复增益和噪声方差的极大似然估计为 待估主参数为 $(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)$,干扰参数为 $(\boldsymbol\zeta,\sigma)$。在 $\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)$ 列满秩的假设下,沿用与第~\ref{sec:det_doa_est} 节相同的投影模板消元,可得集中似然准则
\begin{subequations}
\begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\zeta}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)
=
\left(\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm\mathbf B_{\mathrm{st}}\right)^{-1}
\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm\tilde{\mathbf y},
\end{equation}
\begin{equation}
\widehat\sigma(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)
=
\frac{1}{MT}\tilde{\mathbf y}^\Herm
\left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}}\right)
\tilde{\mathbf y},
\end{equation}
\end{subequations}
其中
\begin{equation}
\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}}
\triangleq
\mathbf B_{\mathrm{st}}
\left(\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm\mathbf B_{\mathrm{st}}\right)^{-1}
\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm.
\end{equation}
代入式~\eqref{eq:det_ml_doa_doppler_opt} 后,可以得到 $\bm\Theta$ 和 $\boldsymbol\nu$ 的集中确定最大似然估计
\begin{equation} \begin{equation}
\label{eq:con_det_ml_doa_doppler_opt} \label{eq:con_det_ml_doa_doppler_opt}
\left(\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}},\widehat{\boldsymbol\nu}_{\mathrm{CDML}}\right) \big(\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}},\widehat{\boldsymbol\nu}_{\mathrm{CDML}}\big)
= =
\argmin_{\bm\Theta,\boldsymbol\nu} \argmin_{\bm\Theta,\boldsymbol\nu}
\tilde{\mathbf y}^\Herm \tilde{\mathbf y}^\Herm
\left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}}\right)
\tilde{\mathbf y}.
\end{equation}
也即 $(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)$ 的估计可以通过最小化
\begin{equation}
\mathcal J(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)
\triangleq
\tilde{\mathbf y}^\Herm
\left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)}\right) \left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)}\right)
\tilde{\mathbf y} \tilde{\mathbf y},
\end{equation} \end{equation}
得到。 其中 $\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}}\triangleq\mathbf B_{\mathrm{st}}\!\left(\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm\mathbf B_{\mathrm{st}}\right)^{-1}\mathbf B_{\mathrm{st}}^\Herm$ 为空时字典列空间的投影算子。
对 $\boldsymbol\zeta$ 与 $\sigma$ 的闭式消元过程与第~\ref{sec:det_doa_est} 节的单阵列 DoA 完全平行,详细矩阵代入见附录~\ref{sec:det_doa_doppler_crb}。
若不关心 Doppler,可将其视为干扰参数并先做 profile 处理: 若 Doppler 本身不感兴趣、仅作为干扰参数,可先做 profile 处理:
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}} \widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}}
= =
@@ -155,4 +113,5 @@
\tilde{\mathbf y}. \tilde{\mathbf y}.
\end{equation} \end{equation}
由此可见,Doppler 不是简单附加在 DoA 估计之后的独立标量,而是通过时间模板与空间导向矢量共同形成空时子空间。多星静态 DoA--Doppler 模型将在这一思想上进一步加入卫星几何约束:各链路 Doppler 不再独立搜索,而由同一个 $\boldsymbol\xi$ 和参考星参数 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 统一诱导。 由此可见,Doppler 不是简单附加在 DoA 估计之后的独立标量,而是通过时间模板 $\mathbf q_k(\nu_k)$ 与空间导向矢量 $\mathbf a(\bm\theta_k)$ 共同构成空时子空间。这种耦合既是 DoA--Doppler 联合估计带来增益的来源,也是单独估计任一参数会造成信息损失的原因。
第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节将在此结构基础上加入卫星几何约束:各链路 Doppler 不再独立搜索,而由同一个 $\boldsymbol\xi$ 和参考星 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 统一诱导。
+152 -167
View File
@@ -1,66 +1,141 @@
\section{静态多阵列确定信号 DoA--Doppler 估计问题模型} \section{多星协作——单用户全局参数化}
\label{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} \label{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst}
\subsection{离散时间统一符号与参考星参数化} 第~\ref{sec:det_doa_doppler_est} 节的根本限制在于:单阵列的孔径决定 DoA 分辨率上限,单链路 Doppler 只提供一个标量约束。
当 $L$ 颗卫星从不同轨道位置同时观测同一用户时,几何多样性给出了新的信息维度——但若把每条链路的 $\nu_\ell$ 都视为独立参数,主参数维度会从 $2$ 膨胀到 $2+L$,无谓地放大搜索空间。
本节的关键观察是:这 $L$ 个链路 Doppler 受卫星轨道几何约束,并\emph{不}独立——一旦给定全局方向 $\boldsymbol\xi$ 和任意一条参考链路上的 $\nu_{\mathrm{ref}}$,其余链路的 $\nu_\ell$ 由已知几何唯一诱导。
\emph{参考星参数化}正是利用这一约束把主参数维度压回 $3$ 维的工具。下面先建立全局/局部几何映射与参考星参数化(\S\ref{subsec:globalLocalDoaMap}--\S\ref{subsec:refSatParameterization}),再给出多星静态 DoA--Doppler 联合似然与集中似然准则;详细 \gls{crb} 与 \gls{fim} 推导见附录~\ref{sec:A6_multiArrayStatDetDoaDopplerCrb}。
本节在第~\ref{subsec:multiArrayCommonNotation} 小节统一几何与参考卫星参数化的基础上,考虑单观测块内的多星确定信号 DoA--Doppler 联合估计问题。与单阵列模型相比,本节的新增结构是:各卫星局部导向矢量均由同一个全局方向 $\boldsymbol\xi=[\alpha,\beta]^\Tran$ 诱导,各链路归一化 Doppler 均由参考卫星链路参数 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 诱导。 \subsection{全局/局部 DoA 映射}
\label{subsec:globalLocalDoaMap}
设共有 $L$ 颗协作卫星,卫星索引为 后文统一采用全局方向参数
\begin{equation} \begin{equation}
\ell=0,1,\ldots,L-1. \boldsymbol\xi
\end{equation} \triangleq
静态模型仅考虑单个观测块(单帧、单个 \gls{cpi} 或单个处理块)内的估计问题。块内离散采样点索引为 \begin{bmatrix}
\begin{equation} \alpha\\
t=0,1,\ldots,T-1, \beta
\end{equation} \end{bmatrix},
其中 $T$ 为该观测块内的采样点数。本文不再额外引入连续时间变量;若需要与实际物理量建立联系,仅通过采样周期 $T_{\mathrm{s}}$ 进行一次性转换。
固定选择一颗卫星作为参考卫星,其索引记为 $\ell_{\mathrm{ref}}$,除特别说明外默认取 $\ell_{\mathrm{ref}}=0$。参考卫星链路上的归一化 Doppler 为
\begin{equation}
\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq \nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}.
\end{equation}
根据第~\ref{subsec:refSatParameterization} 小节的约定,第 $\ell$ 条链路的归一化 Doppler 由
\begin{equation}
\nu_\ell
=
f_{\nu,\ell}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}),
\qquad \qquad
\ell=0,1,\ldots,L-1, \mathbf u(\boldsymbol\xi)
\end{equation}
给出,并满足
\begin{equation}
f_{\nu,\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
= =
\nu_{\mathrm{ref}}. \begin{bmatrix}
\cos\beta\cos\alpha\\
\cos\beta\sin\alpha\\
\sin\beta
\end{bmatrix},
\qquad
\|\mathbf u(\boldsymbol\xi)\|_2=1.
\end{equation} \end{equation}
等价地,也可写成 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。
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} \begin{equation}
\nu_\ell \mathbf e_{3,\ell}=-\frac{\mathbf s_\ell}{\|\mathbf s_\ell\|_2},
= \qquad
\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi), \mathbf e_{2,\ell}=\frac{\mathbf s_\ell\times\mathbf v_\ell}{\|\mathbf s_\ell\times\mathbf v_\ell\|_2},
\qquad
\mathbf e_{1,\ell}=\mathbf e_{2,\ell}\times\mathbf e_{3,\ell}.
\end{equation} \end{equation}
其中 $\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 由已知卫星位置、速度、姿态和参考星选择确定。因此,静态多星 DoA--Doppler 主参数统一为 从本地坐标系到全局坐标系的旋转矩阵记为
\begin{equation}
\boldsymbol{\Omega}_\ell
\triangleq
\begin{bmatrix}
\mathbf e_{1,\ell},\mathbf e_{2,\ell},\mathbf e_{3,\ell}
\end{bmatrix}
\in\mathbb R^{3\times 3}.
\end{equation}
第 $\ell$ 颗卫星本地坐标系下的来向向量为
\begin{equation}
\mathbf u_\ell^{\mathrm{loc}}
=
\boldsymbol{\Omega}_\ell^\Tran\mathbf u(\boldsymbol\xi)
=
\begin{bmatrix}
u^{\mathrm{loc}}_{\ell,1},u^{\mathrm{loc}}_{\ell,2},u^{\mathrm{loc}}_{\ell,3}
\end{bmatrix}^\Tran,
\end{equation}
对应的局部方位角与俯仰角统一记为
\begin{equation}
\alpha_\ell^{\mathrm{loc}}
=
\operatorname{atan2}\!\big(u^{\mathrm{loc}}_{\ell,2},u^{\mathrm{loc}}_{\ell,1}\big),
\qquad
\beta_\ell^{\mathrm{loc}}
=
\arcsin\!\big(u^{\mathrm{loc}}_{\ell,3}\big).
\end{equation}
第 $\ell$ 颗卫星的阵列导向矢量统一定义为
\begin{equation}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\triangleq
\mathbf a_\ell\!\big(\alpha_\ell^{\mathrm{loc}},\beta_\ell^{\mathrm{loc}}\big)
\in\mathbb C^{M_\ell\times 1},
\end{equation}
其中 $\mathbf a_\ell(\cdot)$ 的具体形式按第~\ref{subsec:single_arr_array_model} 小节的 ULA/UPA 模板代入即可。后续静态与多帧模型均统一使用该记号;$\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)$ 始终只表示\emph{阵列导向矢量},不再用于轨道动力学中的加速度量。
\subsection{归一化 Doppler、Doppler rate 与时间索引}
\label{subsec:dopplerNormalization}
物理解释层使用实际 Doppler 与 Doppler rate $(\nu^{\mathrm{Hz}},\dot\nu^{\mathrm{Hz}})$(单位 Hz 与 Hz/s);信号模型与 \gls{crb} 推导统一使用归一化角量 $(\nu,\dot\nu)$(单位 rad/sample 与 rad/sample$^2$),二者关系为
\begin{equation}
\nu = 2\pi\nu^{\mathrm{Hz}} T_{\mathrm{s}},
\qquad
\dot\nu = 2\pi\dot\nu^{\mathrm{Hz}} T_{\mathrm{s}}^2.
\end{equation}
后续模型若未显式带有上标 $\mathrm{Hz}$,均默认使用归一化量。
单观测块静态模型中,块内离散采样索引为 $t=0,1,\ldots,T-1$。多帧动态模型(第~\ref{sec:dynamicDoaDopplerEst} 节)引入帧索引 $p=0,\ldots,P-1$,第 $p$ 帧起始点相对参考时刻的离散偏移记为 $\tau_p$(约定 $\tau_0=0$),并定义全局离散时间索引
\begin{equation}
t_{p,t}
\triangleq
\tau_p+t.
\end{equation}
\subsection{参考卫星参数化}
\label{subsec:refSatParameterization}
固定选择一颗卫星作为\emph{参考卫星},其索引记为 $\ell_{\mathrm{ref}}$,除特别说明外默认取 $\ell_{\mathrm{ref}}=0$。后文中涉及 ``ref'' 的 Doppler 参数,均指\emph{参考卫星链路}上的参数,而不再使用星群质心或星群平均速度定义参考 Doppler。
静态 DoA--Doppler 主参数统一写为
\begin{equation} \begin{equation}
\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}} \boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}
= =
\begin{bmatrix} \begin{bmatrix}
\boldsymbol\xi\\ \boldsymbol\xi\\
\nu_{\mathrm{ref}} \nu_{\mathrm{ref}}
\end{bmatrix}, \end{bmatrix}
\in\mathbb R^{3},
\end{equation} \end{equation}
而每颗卫星的 $\nu_\ell$ 只作为由 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})$ 诱导的局部链路量出现。 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为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}$,而参考链路 Doppler rate $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 放入干扰参数侧。
\subsection{静态离散信号模型} 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
\begin{equation}
\nu_\ell
=
\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi),
\qquad
\dot\nu_\ell
=
\dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi),
\qquad
\ell=0,1,\ldots,L-1,
\end{equation}
其中 $\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 与 $\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 由已知卫星位置、速度、姿态确定,且 $\Delta\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}\equiv\Delta\dot\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}\equiv0$。这一组几何映射正是把 $L$ 个原本 ``独立'' 的链路 Doppler 压回到一个标量 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的结构来源。
\subsection{静态多星信号模型}
\label{subsec:staticBlockModel} \label{subsec:staticBlockModel}
考虑单用户上行已知训练序列 $s(t)$。在单个观测块内,假设: 考虑单用户上行已知训练序列 $s(t)$,在单个观测块内做如下假设:
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item DoA 在整个观测块内保持不变; \item DoA 在整个观测块内保持不变;
\item 每条链路的 Doppler 在该观测块内近似为常数; \item 每条链路的归一化 Doppler 在该观测块内近似为常数;
\item 每颗卫星对应一个未知复干扰系数 $\zeta_\ell$; \item 每颗卫星对应一个未知复干扰系数 $\zeta_\ell\in\mathbb C$;
\item 不同卫星的噪声方差允许不同,但同一颗卫星在该观测块内噪声方差保持不变。 \item 不同卫星的噪声方差允许不同(\emph{星间异方差}),但同一颗卫星在该观测块内保持不变。
\end{enumerate} \end{enumerate}
于是,第 $\ell$ 颗卫星在第 $t$ 个采样点的阵列接收向量可写为 第 $\ell$ 颗卫星在第 $t$ 个采样点的接收向量为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf y_\ell(t) \mathbf y_\ell(t)
= =
@@ -70,58 +145,24 @@
e^{j\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})t} e^{j\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})t}
+ +
\mathbf n_\ell(t), \mathbf n_\ell(t),
\qquad t=0,1,\ldots,T-1, \qquad
\mathbf n_\ell(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell}),
\end{equation} \end{equation}
其中为书写紧凑记 其中 $\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\triangleq \nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$。
\begin{equation}
\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
f_{\nu,\ell}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}).
\end{equation}
这里 $\zeta_\ell\in\mathbb C$ 为第 $\ell$ 条链路的未知复干扰系数,噪声满足
\begin{equation}
\mathbf n_\ell(t)
\sim
\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell}),
\qquad \ell=0,1,\ldots,L-1.
\end{equation}
这里采用\emph{星间异方差}假设,即不同卫星的噪声方差 $\sigma_{n,\ell}^2$ 可以不同。
将第 $\ell$ 颗卫星在整个观测块内的数据按时间堆叠,定义时间模板 定义时间模板
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf q_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}) \mathbf q_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq \triangleq
\begin{bmatrix} \begin{bmatrix}
s(0)e^{j\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\cdot 0} \\ s(0)e^{j\nu_\ell\cdot 0}, &
s(1)e^{j\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\cdot 1} \\ s(1)e^{j\nu_\ell\cdot 1}, &
\vdots \\ \cdots, &
s(T-1)e^{j\nu_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})(T-1)} s(T-1)e^{j\nu_\ell(T-1)}
\end{bmatrix} \end{bmatrix}^\Tran
\in\mathbb C^{T\times 1}. \in\mathbb C^{T\times 1},
\end{equation} \end{equation}
相应地,第 $\ell$ 颗卫星的矩阵观测可写为 与空时导向向量
\begin{equation}
\mathbf Y_\ell
=
\zeta_\ell
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\mathbf q_\ell^\Tran(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
+
\mathbf N_\ell,
\end{equation}
其中 $\mathbf Y_\ell\in\mathbb C^{M_\ell\times T}$,$\mathbf N_\ell\in\mathbb C^{M_\ell\times T}$ 的各列独立满足 $\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell})$。
为便于后续似然函数构建和 \gls{crb} 推导,进一步向量化定义
\begin{equation}
\tilde{\mathbf y}_\ell
\triangleq
\vect(\mathbf Y_\ell),
\qquad
\tilde{\mathbf n}_\ell
\triangleq
\vect(\mathbf N_\ell),
\end{equation}
并定义空时导向向量
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}) \mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq \triangleq
@@ -130,30 +171,29 @@
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi) \mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\in\mathbb C^{M_\ell T\times 1}. \in\mathbb C^{M_\ell T\times 1}.
\end{equation} \end{equation}
则向量化观测模型可统一写为 将第 $\ell$ 颗卫星的观测堆叠并向量化为 $\tilde{\mathbf y}_\ell\triangleq\vect(\mathbf Y_\ell)$,则有
\begin{equation} \begin{equation}
\tilde{\mathbf y}_\ell \tilde{\mathbf y}_\ell
= =
\zeta_\ell\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}) \zeta_\ell\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
+ +
\tilde{\mathbf n}_\ell. \tilde{\mathbf n}_\ell,
\qquad
\tilde{\mathbf n}_\ell\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell T}).
\end{equation} \end{equation}
与第~\ref{subsec:refSatParameterization} 小节一致,本文把 本节的干扰参数为
\begin{equation} \begin{equation}
\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}} \boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}
= =
\Big[ \Big[
\{\zeta_\ell\}_{\ell=0}^{L-1}, \{\zeta_\ell\}_{\ell=0}^{L-1},
\{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1} \{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1}
\Big]^\Tran \Big]^\Tran.
\end{equation} \end{equation}
作为静态模型的干扰参数。若在后续 \gls{crb} 推导中需要显式使用实参数化,则可进一步将 $\zeta_\ell$ 分解为其实部和虚部。
\subsection{联合似然函数与结构化最大似然估计} \subsection{联合似然与集中似然}
本小节不再重新定义新的观测模型,而是直接沿用上一小节的向量化形式 $\tilde{\mathbf y}_\ell=\zeta_\ell\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})+\tilde{\mathbf n}_\ell$。因此,下文中的 $\mathbf g_\ell$、$\zeta_\ell$、$\sigma_{n,\ell}^2$ 与模型小节完全一致;待估主参数为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}$,干扰参数为 $\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}$。 各星观测条件独立,圆对称复高斯,联合负对数似然为
由于不同卫星噪声相互独立,且每颗卫星内部噪声服从圆对称复高斯分布,因此多星联合似然函数可由各星观测块的概率密度相乘得到。去掉与参数无关的常数项后,对应的联合负对数似然函数为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathcal L_{\mathrm{stat}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}) \mathcal L_{\mathrm{stat}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}})
= =
@@ -169,98 +209,42 @@
\right\|_2^2 \right\|_2^2
\right]. \right].
\end{equation} \end{equation}
因此,结构化最大似然估计问题可写为
\begin{equation}
(\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{stat}},\widehat{\boldsymbol\psi}_{\mathrm{stat}})
=
\arg\min_{\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}}
\mathcal L_{\mathrm{stat}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}).
\end{equation}
\subsubsection{对复干扰系数参数的闭式消元} 对干扰参数 $\boldsymbol\psi_{\mathrm{stat}}$ 的逐项闭式消元——先消 $\zeta_\ell$、再消 $\sigma_{n,\ell}^2$——与第~\ref{sec:det_doa_est} 节单阵列情形完全平行;详细矩阵代入见附录~\ref{sec:A6_multiArrayStatDetDoaDopplerCrb}。集中后的轮廓似然估计准则为
对于固定的 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})$ 和 $\{\sigma_{n,\ell}^2\}$,第 $\ell$ 条链路复干扰系数 $\zeta_\ell$ 的最小二乘解为
\begin{equation}
\hat\zeta_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
=
\frac{\mathbf g_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\tilde{\mathbf y}_\ell}
{\|\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\|_2^2}.
\end{equation}
将其代回后,对应的每星残差可写为
\begin{equation}
\mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\|\tilde{\mathbf y}_\ell\|_2^2
-
\frac{
\left|
\mathbf g_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\tilde{\mathbf y}_\ell
\right|^2
}{\|\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\|_2^2}.
\end{equation}
于是对 $\{\zeta_\ell\}$ 集中后的负对数似然可写为
\begin{equation}
\mathcal L_{\mathrm{stat,c}}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\{\sigma_{n,\ell}^2\})
=
\sum_{\ell=0}^{L-1}
\left[
M_\ell T\log\sigma_{n,\ell}^2
+
\frac{1}{\sigma_{n,\ell}^2}
\mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
\right].
\end{equation}
\subsubsection{对噪声方差的轮廓化处理}
若进一步把每颗卫星的噪声方差视为未知参数,则对固定的 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})$,其极大似然估计为
\begin{equation}
\hat\sigma_{n,\ell}^2(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
=
\frac{1}{M_\ell T}
\mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}),
\qquad
\ell=0,1,\ldots,L-1.
\end{equation}
代回后,可得到完全轮廓化的目标函数
\begin{equation}
\mathcal L_{\mathrm{stat}}^{\mathrm{pro}}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
=
\sum_{\ell=0}^{L-1}
M_\ell T
\log \mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}),
\end{equation}
其中同样忽略了与参数无关的常数项。因此,在星间异方差假设下,静态多阵列 DoA--Doppler 问题的轮廓最大似然估计可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{stat}} \widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{stat}}
= =
\arg\min_{\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}} \arg\min_{\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}}
\sum_{\ell=0}^{L-1} \sum_{\ell=0}^{L-1}
M_\ell T M_\ell T
\log \mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}). \log \mathcal E_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}),
\qquad
\mathcal E_\ell
\triangleq
\|\tilde{\mathbf y}_\ell\|_2^2
-
\frac{\left|\mathbf g_\ell^\Herm\tilde{\mathbf y}_\ell\right|^2}
{\|\mathbf g_\ell\|_2^2}.
\end{equation} \end{equation}
若实际中各星噪声方差 $\sigma_{n,\ell}^2$ 已知或可由预处理阶段获得,则也可采用加权集中似然形式 若实际中 $\sigma_{n,\ell}^2$ 已知或由预处理获得,可退化为加权集中似然形式
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{stat}} \widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{stat}}
= =
\arg\max_{\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}} \arg\max_{\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}}
\sum_{\ell=0}^{L-1} \sum_{\ell=0}^{L-1}
\frac{1}{\sigma_{n,\ell}^2} \frac{1}{\sigma_{n,\ell}^2}
\frac{ \frac{\left|\mathbf g_\ell^\Herm\tilde{\mathbf y}_\ell\right|^2}
\left| {\|\mathbf g_\ell\|_2^2}.
\mathbf g_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\tilde{\mathbf y}_\ell
\right|^2
}{\|\mathbf g_\ell(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})\|_2^2}.
\end{equation} \end{equation}
该表达式表明:在多星协作条件下,联合估计的本质是在统一的全局方向参数 $\boldsymbol\xi$ 和参考归一化 Doppler $\nu_{\mathrm{ref}}$ 下,对各卫星空时匹配输出进行加权融合;其中权重既受几何映射影响,也受不同卫星噪声水平影响。 该表达式说明:在多星协作条件下,联合估计等价于在统一的 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})$ 下,对各卫星空时匹配输出按几何与噪声水平进行加权融合。
\subsection{仿真结果说明} \subsection{仿真结果说明}
图 \ref{fig:dualSatSingleSourceScene} 使用 STK 给出了双星单用户场景,用户位于两颗卫星的交叠覆盖区中,卫星视角为 $\pm 55^\circ$。 图~\ref{fig:dualSatSingleSourceScene} 使用 STK 给出了双星单用户场景,用户位于两颗卫星的交叠覆盖区中,卫星视角为 $\pm 55^\circ$。
图 \ref{fig:doaDopplerEciDualSatSingleSourceUpa2048Snap} 给出了在存在 Doppler 的情况下,发送导频信号并采用上述 \gls{mle} 方法时,仅进行 DoA 估计与联合进行 DoA--Doppler 估计的二维地表坐标估计结果。结果表明,在经度和纬度两个维度上,DoA--Doppler 联合估计均优于仅 DoA 估计,但与 \gls{crb} 之间仍存在一定差距,这一差距可能与地面坐标到卫星局部角度的非线性映射有关。对于 Doppler 参数估计,其结果基本达到 \gls{crb}。 图~\ref{fig:doaDopplerEciDualSatSingleSourceUpa2048Snap} 给出了在存在 Doppler 的情况下,发送导频信号并采用上述 \gls{mle} 方法时,仅进行 DoA 估计与联合进行 DoA--Doppler 估计的二维地表坐标估计结果。结果表明,在经度和纬度两个维度上,DoA--Doppler 联合估计均优于仅 DoA 估计,但与 \gls{crb} 之间仍存在一定差距,这一差距可能与地面坐标到卫星局部角度的非线性映射有关。对于 Doppler 参数估计,其结果基本达到 \gls{crb}。
图 \ref{fig:multiSatSingleSourceScene} 使用 STK,按照用户仰角 $15^\circ$ 和卫星视角 $\pm 55^\circ$ 给出了多星单用户场景。在此基础上,可进一步针对不同卫星组合计算 \gls{crb},从而实现基于 \gls{crb} 的选星。 图~\ref{fig:multiSatSingleSourceScene} 使用 STK,按照用户仰角 $15^\circ$ 和卫星视角 $\pm 55^\circ$ 给出了多星单用户场景。在此基础上,可进一步针对不同卫星组合计算 \gls{crb},从而实现基于 \gls{crb} 的选星。
\begin{figure}[!h] \begin{figure}[!h]
\centering \centering
@@ -283,4 +267,5 @@
\label{fig:multiSatSingleSourceScene} \label{fig:multiSatSingleSourceScene}
\end{figure} \end{figure}
本节完成了多星主线中的静态基线:同一个全局方向 $\boldsymbol\xi$ 同时决定各星局部导向矢量,而参考星 Doppler $\nu_{\mathrm{ref}}$ 通过几何映射决定各星链路 Doppler。下一节将在保持主参数 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}$ 不变的前提下,引入多帧索引、Doppler rate 和跨帧连续相位结构。 本节完成了多星主线中的静态基线:同一个全局方向 $\boldsymbol\xi$ 同时决定各星局部导向矢量,而参考星 Doppler $\nu_{\mathrm{ref}}$ 通过几何映射决定各星链路 Doppler。
后续第~\ref{sec:dynamicDoaDopplerEst} 节将沿\emph{时间结构}维度继续推进,在保持主参数 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}$ 不变的前提下引入多帧索引与跨帧连续相位结构。
+87 -679
View File
@@ -1,64 +1,16 @@
\section{多星动态多帧连续相位 DoA--Doppler 估计问题模型} \section{多帧动态模型与连续相位结构}
\label{sec:dynamicDoaDopplerEst} \label{sec:dynamicDoaDopplerEst}
\subsection{离散时间统一符号与参考星参数化} 前面五节都在单帧(静态)框架内沿不同维度推进问题。第一篇论文的方向是另一个独立的维度扩展:将单观测块推广为\emph{多帧观测窗口},由此带来跨帧绝对相位连续性这一新信息。
本节在第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节单用户多星静态模型的基础上引入多帧索引、Doppler rate 与跨帧连续相位结构,但\emph{不}叠加第 4、5 节的多用户与时间戳误差扩展,以保持 ``一节一维度'' 的推进风格。
主估计目标仍为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$,而参考链路 Doppler rate $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数处理。
本节给出两套对比模型——连续相位 CP 与独立相位 IP——以量化跨帧相位连续性携带的信息量;详细 \gls{fim}/\gls{crb} 推导见附录~\ref{sec:multiFrameCrb}。
本节在第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节静态多星模型的基础上引入多帧索引、Doppler rate 和跨帧连续相位结构。主估计目标仍为 \subsection{时间索引与参考星 Doppler rate}
\begin{equation}
\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}
=
\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}
=
\begin{bmatrix}
\boldsymbol\xi\\
\nu_{\mathrm{ref}}
\end{bmatrix},
\end{equation}
而参考卫星链路上的归一化 Doppler rate $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数处理。因此,动态模型并不改变主参数域,而是通过多帧相位结构增加可利用信息。
设共有 $L$ 颗协作卫星,卫星索引为 $\ell=0,1,\ldots,L-1$。观测窗口包含 $P$ 帧数据,帧索引为 设观测窗口含 $P$ 帧,帧索引 $p=0,\ldots,P-1$,单帧采样点数为 $T$,帧内局部索引 $t=0,\ldots,T-1$,第 $p$ 帧起始点的离散偏移记为 $\tau_p$,约定 $\tau_0=0$,全局时间索引 $t_{p,t}\triangleq\tau_p+t$(沿用 \S\ref{subsec:dopplerNormalization} 约定)。沿用 \S\ref{subsec:globalLocalDoaMap} 的全局/局部映射 $\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)$,并将其视为在整个短观测窗口内保持不变。
\begin{equation}
p=0,1,\ldots,P-1.
\end{equation}
第 $p$ 帧内的离散采样点索引为
\begin{equation}
t=0,1,\ldots,T-1,
\end{equation}
其中 $T$ 为单帧采样点数。设第 $p$ 帧起始点相对于参考时刻的离散采样偏移为 $\tau_p$,并约定 $\tau_0=0$。为统一表示跨帧连续相位,定义第 $p$ 帧第 $t$ 个采样对应的全局离散时间索引为
\begin{equation}
t_{p,t}\triangleq \tau_p+t,
\qquad
p=0,\ldots,P-1,\;t=0,\ldots,T-1.
\end{equation}
括号中的 $t$ 始终表示帧内局部采样索引,而 $t_{p,t}$ 表示对应的全局离散时间位置。
沿用第~\ref{subsec:globalLocalDoaMap} 小节的全局/局部 DoA 映射,第 $\ell$ 颗卫星的阵列导向矢量统一写为 $\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)$。由于本文关注短观测窗口,后续将该导向矢量视为在整个窗口内保持不变。 参考链路上的归一化 Doppler 与 Doppler rate 分别定义为 $\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}$、$\dot\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq\dot\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}$。其余卫星按
参考卫星链路上的归一化 Doppler 与归一化 Doppler rate 分别定义为
\begin{equation}
\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq \nu_{\ell_{\mathrm{ref}}},
\qquad
\dot\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq \dot\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}.
\end{equation}
基于多星几何关系,本文不把每颗卫星的 $(\nu_\ell,\dot\nu_\ell)$ 都作为独立待估参数,而是统一采用
\begin{equation}
\nu_\ell
=
f_{\nu,\ell}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}}),
\qquad
\dot\nu_\ell
=
f_{\dot\nu,\ell}(\boldsymbol\xi,\dot\nu_{\mathrm{ref}}),
\qquad
\ell=0,\ldots,L-1,
\end{equation}
其中
\begin{equation}
f_{\nu,\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})=\nu_{\mathrm{ref}},
\qquad
f_{\dot\nu,\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi,\dot\nu_{\mathrm{ref}})=\dot\nu_{\mathrm{ref}}.
\end{equation}
等价地,也可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\nu_\ell \nu_\ell
= =
@@ -68,20 +20,12 @@
= =
\dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi), \dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi),
\end{equation} \end{equation}
其中 $\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 和 $\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 由已知几何状态计算得到。 由已知几何唯一诱导,沿用 \S\ref{subsec:refSatParameterization} 的参考星参数化。
\subsection{连续相位多帧离散信号模型} \subsection{连续相位多帧信号模型(CP)}
\label{subsec:dynamicCpModel} \label{subsec:dynamicCpModel}
在短观测窗口下,本文采用如下动态近似: 短观测窗口下,第 $\ell$ 颗卫星在第 $p$ 帧第 $t$ 个采样点的归一化相位采用二次相位近似:
\begin{enumerate}
\item DoA 在整个观测窗口内近似保持不变,因此第 $\ell$ 颗卫星的导向矢量记为 $\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)$;
\item 第 $\ell$ 条链路在观测窗口内的归一化相位采用二次相位模型;
\item 主参数为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$,而 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数处理;
\item 各星链路参数 $(\nu_\ell,\dot\nu_\ell)$ 通过几何关系由 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})$ 诱导得到。
\end{enumerate}
于是,第 $\ell$ 颗卫星在第 $p$ 帧第 $t$ 个采样点的归一化连续相位可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t) \phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t)
= =
@@ -91,7 +35,7 @@
\qquad \qquad
t_{p,t}=\tau_p+t. t_{p,t}=\tau_p+t.
\end{equation} \end{equation}
若第 $p$ 帧所用已知训练序列记为 $s_p(t)$,并定义结构化连续相位复增益 若第 $p$ 帧训练序列为 $s_p(t)$,并定义结构化连续相位复增益
\begin{equation} \begin{equation}
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}} \zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
\triangleq \triangleq
@@ -99,82 +43,50 @@
\qquad \qquad
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\in\mathbb R_{\ge0}, \rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\in\mathbb R_{\ge0},
\end{equation} \end{equation}
则连续相位模型下的接收向量为 则 CP 模型接收向量为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t) \mathbf y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t)
= =
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}} \zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi) \mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
s_p(t) s_p(t)
\exp\left\{ e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t)}
j\left[
\nu_\ell t_{p,t}
+
\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t_{p,t}^2
\right]
\right\}
+ +
\mathbf n_{\ell,p}(t), \mathbf n_{\ell,p}(t),
\end{equation} \end{equation}
其中 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 只是结构化复增益的简写,并不作为自由复参数独立估计;其自由度由非负实幅度 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 和同星共享相位 $\chi_\ell$ 给出。$\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的公共相位,因此同一颗卫星在不同帧之间共享该相位。噪声满足 $\mathbf n_{\ell,p}(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell})$。不同卫星的噪声方差允许不同,但对同一颗卫星,在短观测窗口内各帧各采样点共享同一个噪声方差 $\sigma_{n,\ell}^2$。 其中 $\mathbf n_{\ell,p}(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell})$。
$\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由同一颗卫星的不同帧共享——这是 CP 模型相比静态模型的核心新结构:它把 $L\times P$ 个块复增益的自由度从 ``$LP$ 个独立复数'' 压回为 ``$L$ 个公共相位 + $LP$ 个非负实幅度'',从而显式利用跨帧绝对时间信息。
将单帧数据按时间堆叠,定义 定义 CP 模板与空时模板
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}}) \mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
\triangleq \triangleq
\begin{bmatrix} \begin{bmatrix}
s_p(0)e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(0)} \\ s_p(0)e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(0)}, &
s_p(1)e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(1)} \\ \cdots, &
\vdots \\
s_p(T-1)e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(T-1)} s_p(T-1)e^{j\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(T-1)}
\end{bmatrix} \end{bmatrix}^\Tran,
\in\mathbb C^{T\times 1}.
\end{equation}
则第 $\ell$ 颗卫星在第 $p$ 帧的矩阵观测可写为
\begin{equation}
\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
=
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran
+
\mathbf N_{\ell,p},
\end{equation}
其中 $\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}\in\mathbb C^{M_\ell\times T}$,$\mathbf N_{\ell,p}\in\mathbb C^{M_\ell\times T}$ 的各列独立满足 $\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell})$。进一步向量化,定义
\begin{equation}
\tilde{\mathbf y}^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
\triangleq
\vect(\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}),
\qquad \qquad
\tilde{\mathbf n}_{\ell,p} \mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
\triangleq \triangleq
\vect(\mathbf N_{\ell,p}), \mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
\otimes
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi),
\end{equation} \end{equation}
则有 则向量化模型为
\begin{equation} \begin{equation}
\tilde{\mathbf y}^{\mathrm{cp}}_{\ell,p} \tilde{\mathbf y}^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
= =
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}} \zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}}) \mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
+ +
\tilde{\mathbf n}_{\ell,p}, \tilde{\mathbf n}_{\ell,p}.
\end{equation} \end{equation}
其中
\begin{equation}
\mathbf g^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\otimes
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi).
\end{equation}
该模型的关键在于:相位项通过 $t_{p,t}=\tau_p+t$ 显式保留了跨帧绝对时间信息,因此多帧处理带来的增益不仅来自能量叠加,也来自跨帧连续相位轨迹的一致性。
\subsection{独立相位基线模型} \subsection{独立相位基线模型(IP)}
\label{subsec:independentPhaseModel} \label{subsec:independentPhaseModel}
为量化跨帧绝对相位连续性带来的收益,本小节引入独立相位基线模型。该模型保留每帧内部的相干结构,但允许不同帧具有独立未知相位,因此不再利用连续相位模型中的同星跨帧公共相位 $\chi_\ell$。 为量化跨帧绝对相位连续性的收益,引入独立相位基线模型作为对照。将 CP 相位项分解:
将连续相位模型中的相位项展开,可得
\begin{equation} \begin{equation}
\nu_\ell t_{p,t}+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t_{p,t}^2 \nu_\ell t_{p,t}+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t_{p,t}^2
= =
@@ -182,86 +94,47 @@
+ +
\underbrace{(\nu_\ell+\dot\nu_\ell\tau_p)t+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t^2}_{\text{帧内局部相位演化}}. \underbrace{(\nu_\ell+\dot\nu_\ell\tau_p)t+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t^2}_{\text{帧内局部相位演化}}.
\end{equation} \end{equation}
若允许每一帧具有独立未知相位,则上述帧间常相位项可被每帧相位吸收。定义第 $\ell$ 颗卫星在第 $p$ 帧的局部归一化 Doppler 为 若允许每一帧具有独立未知相位 $\vartheta_{\ell,p}$,则帧间常相位项可被块相位吸收。令第 $(\ell,p)$ 个观测块的自由复干扰系数记为
\begin{equation} \begin{equation}
\bar\nu_{\ell,p} \zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
\triangleq =
\nu_\ell+\dot\nu_\ell\tau_p. \rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}e^{j\vartheta_{\ell,p}}
\in\mathbb C,
\qquad
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}\in\mathbb R_{\ge 0},
\end{equation} \end{equation}
令 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}\in\mathbb C$ 表示第 $(\ell,p)$ 个观测块的自由复增益,其相位吸收了帧间常相位项。于是独立相位模型可写为 对应的局部归一化 Doppler $\bar\nu_{\ell,p}\triangleq\nu_\ell+\dot\nu_\ell\tau_p$,则 IP 模型可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathbf y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(t) \mathbf y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(t)
= =
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}} \zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi) \mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
s_p(t) s_p(t)
\exp\left\{ \exp\!\left\{
j\left[ j\!\left[
\bar\nu_{\ell,p}t+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t^2 \bar\nu_{\ell,p}t+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t^2
\right] \right]
\right\} \right\}
+ +
\mathbf n_{\ell,p}(t). \mathbf n_{\ell,p}(t).
\end{equation} \end{equation}
其中 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}$ 是每个观测块的自由复干扰系数。若需要显式写出其实参数形式,可令 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}=\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}e^{j\vartheta_{\ell,p}}$,其中 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}\in\mathbb R_{\ge0}$,$\vartheta_{\ell,p}$ 为块独立相位。对应该模型的时间模板记为 相应的 IP 模板与空时模板 $\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}$、$\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}$ 按相同方式定义。
\begin{equation} CP 与 IP 的差别集中在块复增益的自由度:CP 保留 $L$ 个跨帧公共相位 $\{\chi_\ell\}$,IP 则放弃跨帧绝对相位关系。后续 \gls{fim}/\gls{crb} 对比将量化保留公共相位 $\chi_\ell$ 带来的信息差异。
\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\begin{bmatrix}
s_p(0)e^{j\phi^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(0)} \\
s_p(1)e^{j\phi^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(1)} \\
\vdots \\
s_p(T-1)e^{j\phi^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(T-1)}
\end{bmatrix},
\end{equation}
其中
\begin{equation}
\phi^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(t)
\triangleq
\bar\nu_{\ell,p}t+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t^2.
\end{equation}
并定义独立相位模型的空时模板
\begin{equation}
\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\otimes
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi).
\end{equation}
相应的向量化模型为
\begin{equation}
\tilde{\mathbf y}^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}
=
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
\mathbf g^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
+
\tilde{\mathbf n}_{\ell,p}.
\end{equation}
\subsection{连续相位模型下的结构化最大似然估计} \subsection{联合似然与集中似然}
本小节直接沿用第~\ref{subsec:dynamicCpModel} 小节的连续相位观测模型。其中 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\triangleq\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell}$ 只是结构化复增益的简写;在 structured CP 模型中,$\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 不作为自由复参数估计,其自由度由非负实幅度 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 与同星共享相位 $\chi_\ell$ 给出。 CP 模型的干扰参数向量为
根据第~\ref{subsec:refSatParameterization} 小节的参数分工,定义连续相位模型的干扰参数向量为
\begin{equation} \begin{equation}
\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}} \boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}}
= =
\Big[ \Big[
\dot\nu_{\mathrm{ref}}, \dot\nu_{\mathrm{ref}},
\{\chi_\ell\}_{\ell=0}^{L-1}, \{\chi_\ell\}_{\ell=0}^{L-1},
\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}:\ell=0,\ldots,L-1,\ p=0,\ldots,P-1\}, \{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}_{\ell,p},
\{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1} \{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1}
\Big]^\Tran. \Big]^\Tran.
\end{equation} \end{equation}
于是结构化连续相位模型对应的最大似然估计问题为 在 ``星间异方差、星内短窗同方差'' 假设下,联合负对数似然为
\begin{equation}
(\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn}},\widehat{\boldsymbol\psi}_{\mathrm{cp}})
=
\arg\max_{\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}}}
p\left(\{\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}\}_{\ell,p};\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}}\right).
\end{equation}
在 ``不同卫星噪声方差不同,但同一卫星短窗内方差不变'' 的假设下,去掉与参数无关的常数项后,联合负对数似然函数可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\mathcal L_{\mathrm{cp}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}}) \mathcal L_{\mathrm{cp}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}})
= =
@@ -274,100 +147,11 @@
- -
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell} \rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi) \mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran \big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}\big)^\Tran
\right\|_{\mathrm{F}}^2. \right\|_{\mathrm{F}}^2.
\end{equation} \end{equation}
\subsubsection{对卫星噪声方差的轮廓化处理} 依次对 $\sigma_{n,\ell}^2$ 做轮廓化、对非负幅度 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 做正部最小二乘消元后,结构化 CP 集中似然估计准则可写为
对固定的其余参数,第 $\ell$ 颗卫星噪声方差 $\sigma_{n,\ell}^2$ 的极大似然估计为
\begin{equation}
\hat\sigma_{n,\ell}^2
=
\frac{1}{M_\ell PT}
\sum_{p=0}^{P-1}
\left\|
\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
-
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran
\right\|_{\mathrm{F}}^2.
\end{equation}
将其代回后,可得到对 $\{\sigma_{n,\ell}^2\}$ 轮廓化后的负对数似然:
\begin{equation}
\mathcal L_{\mathrm{cp}}^{\mathrm{pro}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\},\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\})
=
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT
\log \mathcal R^{\mathrm{cp}}_\ell(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\dot\nu_{\mathrm{ref}},\chi_\ell,\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}_{p=0}^{P-1}),
\end{equation}
其中
\begin{equation}
\mathcal R^{\mathrm{cp}}_\ell(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\dot\nu_{\mathrm{ref}},\chi_\ell,\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}_{p=0}^{P-1})
\triangleq
\sum_{p=0}^{P-1}
\left\|
\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
-
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}e^{j\chi_\ell}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran
\right\|_{\mathrm{F}}^2.
\end{equation}
因此,在异方差条件下,连续相位结构化 MLE 可等价写为
\begin{equation}
(\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn}},\widehat{\dot\nu}_{\mathrm{ref}},\{\hat\chi_\ell\},\{\hat\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\})
=
\arg\min_{\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\},\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}}
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp}}_\ell.
\end{equation}
若在实际实现中将 $\sigma_{n,\ell}^2$ 视为已知或预估量,则上式也可退化为按 $1/\sigma_{n,\ell}^2$ 加权的最小二乘形式。
\subsubsection{对幅度参数的闭式消元}
为进一步集中似然,定义匹配统计量
\begin{equation}
z^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\mathbf a_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi)
\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^*,
\end{equation}
以及归一化因子
\begin{equation}
d^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\|\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)\|_2^2
\big\|\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big\|_2^2.
\end{equation}
则对固定的 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}},\chi_\ell)$,第 $(\ell,p)$ 个非负幅度模值的最优解为
\begin{equation}
\hat\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
=
\left[
\frac{\Re\left\{e^{-j\chi_\ell}z^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\right\}}
{d^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}
\right]_{+},
\end{equation}
其中 $[x]_{+}\triangleq \max\{x,0\}$。代回残差后,有
\begin{equation}
\mathcal E^{\mathrm{cp,str}}_{\ell,p}
\triangleq
\|\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}\|_{\mathrm{F}}^2
-
\frac{
\left[
\Re\left\{e^{-j\chi_\ell}z^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\right\}
\right]_{+}^{2}
}{d^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}.
\end{equation}
定义第 $\ell$ 颗卫星聚合残差为
\begin{equation}
\mathcal R^{\mathrm{cp,str}}_\ell
\triangleq
\sum_{p=0}^{P-1}\mathcal E^{\mathrm{cp,str}}_{\ell,p}.
\end{equation}
于是,经过 $\{\sigma_{n,\ell}^2\}$ 和 $\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}$ 集中后的结构化 MLE 可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn}} \widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn}}
= =
@@ -375,45 +159,9 @@
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\}} \min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\}}
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,str}}_\ell. \sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,str}}_\ell.
\end{equation} \end{equation}
该表达式体现了本文动态主线:$\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$ 为主参数,$\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 和 $\{\chi_\ell\}$ 为干扰参数,而 $\{\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\}$ 与 $\{\sigma_{n,\ell}^2\}$ 已被闭式或轮廓化消除。 其中 $\mathcal R^{\mathrm{cp,str}}_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在结构化幅度消元后聚合而成的每星残差,详细矩阵代入与正部投影的闭式表达见附录~\ref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb}。
\subsection{连续相位模型下的 relaxed concentrated MLE} 实际搜索时,可进一步把同星跨帧公共相位约束放松为每块自由复系数 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp,rel}}$(仅放松块复系数结构,相位模板仍为 CP),得到 \emph{relaxed} concentrated MLE:
\label{subsec:dynamicRelaxedModel}
若仅关心主参数搜索的可实现性,也可进一步引入自由复干扰系数 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp,rel}}$,从而暂时放松 ``同一卫星跨帧共享公共相位'' 这一结构约束。模型可写为
\begin{equation}
\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
=
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp,rel}}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran
+
\mathbf N_{\ell,p}.
\end{equation}
对固定的 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})$,其最小二乘解为
\begin{equation}
\hat\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp,rel}}
=
\frac{z^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}
{d^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}.
\end{equation}
代回后得到块残差
\begin{equation}
\mathcal E^{\mathrm{cp,rel}}_{\ell,p}
\triangleq
\|\mathbf Y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}\|_{\mathrm{F}}^2
-
\frac{
\left|z^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\right|^2
}{d^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}.
\end{equation}
定义对应的每星聚合残差
\begin{equation}
\mathcal R^{\mathrm{cp,rel}}_\ell
\triangleq
\sum_{p=0}^{P-1}\mathcal E^{\mathrm{cp,rel}}_{\ell,p}.
\end{equation}
于是,在异方差假设下的 relaxed concentrated MLE 可写为
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,rel}} \widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,rel}}
= =
@@ -421,62 +169,7 @@
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}} \min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}}
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,rel}}_\ell. \sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,rel}}_\ell.
\end{equation} \end{equation}
需要强调的是,relaxed concentrated MLE 只是放松了块复系数结构,并没有改变连续相位模板本身,因此它\emph{不是}独立相位模型。 相应地,IP 基线的 concentrated MLE 直接对自由复增益 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}$ 做闭式消元后得到
\subsection{独立相位模型下的 concentrated MLE}
本小节沿用第~\ref{subsec:independentPhaseModel} 小节的独立相位基线模型。这里的
$\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}\in\mathbb C$ 是每个观测块的自由复系数,
它吸收了帧间常相位项,因此和 CP 模型中的共享公共相位 $\chi_\ell$ 不同。正文 MLE 直接对自由复增益进行闭式消元;只有在 CRB 附录构造实参数 Fisher 信息矩阵时,才将其写作
$\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}=\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}e^{j\vartheta_{\ell,p}}$。
对于独立相位模型,可把 $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}$ 视为每个观测块的自由复干扰系数,则对应模型可写为
\begin{equation}
\mathbf Y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}
=
\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)
\big(\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^\Tran
+
\mathbf N_{\ell,p}.
\end{equation}
相应地,定义
\begin{equation}
z^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\mathbf a_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi)
\mathbf Y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}
\big(\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big)^*,
\end{equation}
\begin{equation}
d^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})
\triangleq
\|\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi)\|_2^2
\big\|\mathbf q^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\big\|_2^2.
\end{equation}
其自由复干扰系数的闭式解为
\begin{equation}
\hat\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
=
\frac{z^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}
{d^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}.
\end{equation}
代回后得到块残差
\begin{equation}
\mathcal E^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}
\triangleq
\|\mathbf Y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}\|_{\mathrm{F}}^2
-
\frac{\left|z^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})\right|^2}
{d^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}},\dot\nu_{\mathrm{ref}})}.
\end{equation}
定义每星聚合残差
\begin{equation}
\mathcal R^{\mathrm{ip}}_\ell
\triangleq
\sum_{p=0}^{P-1}\mathcal E^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}.
\end{equation}
则独立相位模型下的集中似然估计问题为
\begin{equation} \begin{equation}
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,ip}} \widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,ip}}
= =
@@ -484,367 +177,82 @@ $\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}=\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}e^{j\vartheta_{\ell,p}}
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}} \min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}}
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{ip}}_\ell. \sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{ip}}_\ell.
\end{equation} \end{equation}
与连续相位模型相比,该准则不再利用跨帧绝对相位关系,因此更适合作为对比基线,而不宜作为本文主模型。 三种准则的差别在于复增益处理方式:CP-str 保留跨帧公共相位约束;CP-rel 放松为每块自由复系数(仍用 CP 相位模板);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 $\mathcal R^{\mathrm{cp,str/rel/ip}}_\ell$ 的具体表达均迁移到附录~\ref{sec:multiFrameCrb}。
\subsection{模型与估计问题的几点说明} \subsection{Doppler rate 处理:CP-K 与 CP-U}
为避免后续推导中的歧义,需要对本文建模方式进一步说明如下。 按 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 是否已知,CP 模型派生两种设置:
\begin{enumerate} \begin{itemize}
\item 本文从信号模型到 MLE 全程采用归一化离散域表达。实际物理量 $(\nu^{\mathrm{Hz}},\dot\nu^{\mathrm{Hz}})$ 只在几何解释层面出现,而真正参与似然与估计的是归一化量 $(\nu,\dot\nu)$; \item \textbf{CP-K}(known rate):$\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 已知,主参数仅 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$,对应 EFIM 见 \eqref{eq:A7_CP_K_EFIM}。
\item 主参数是 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$,而 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数处理。这与 ``先完成 DoA--参考 Doppler 联合估计,再分析 unknown rate 影响'' 的主线一致; \item \textbf{CP-U}(unknown rate):$\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 未知并作为干扰参数 Schur complement 消去,对应 EFIM 见 \eqref{eq:A7_CP_U_EFIM_from_K}。
\item 多星噪声建模采用 ``星间异方差、星内短窗同方差'' 假设,即每颗卫星有自己的噪声方差 $\sigma_{n,\ell}^2$。这比 ``全星同一噪声方差'' 更符合实际链路差异,又不会显著破坏后续 MLE 与 CRB 推导的可处理性; \end{itemize}
\item 连续相位模型、relaxed concentrated MLE 和独立相位模型是三个不同层面的对象:前者是本文的主信号模型;中者只是对块复系数结构的放松,仍保留连续相位模板;后者则真正放弃了跨帧绝对相位连续性,因此只能作为对比基线。
\end{enumerate}
与后续 known-rate/unknown-rate \gls{crb} 对比相关,还需要注意一个结构性现象。 一个值得指出的结构性现象:在 single-satellite multi-frame 情形中,若该卫星即参考星,则参考链路上 $\Delta\nu(\boldsymbol\xi)\equiv\Delta\dot\nu(\boldsymbol\xi)\equiv 0$,几何映射不通过 $\boldsymbol\xi$ 引入额外时间相位导数。在标准窄带阵列模型下,DoA 导数与 $\nu_{\mathrm{ref}}$、$\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 的导数在 Fisher 内积意义下正交,因此 single-satellite multi-frame 的 DoA bound 在 known-rate 与 unknown-rate 设置下完全一致;在 multi-satellite 情形中这一严格正交性一般不再成立。详细证明见附录~\ref{subsec:A7_knownUnknownRateOrthogonality}。
在 single-satellite multi-frame 情形中,若该卫星即 reference satellite,则参考链路满足
\begin{equation}
f_{\nu,\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})
=
\nu_{\mathrm{ref}},
\qquad
f_{\dot\nu,\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi,\dot\nu_{\mathrm{ref}})
=
\dot\nu_{\mathrm{ref}}.
\end{equation}
因此,reference-link 的 Doppler 和 Doppler rate 不通过几何映射对 $\boldsymbol\xi$ 产生额外相位导数。
在幅度和公共相位干扰方向被消去后,DoA 导数主要保留为空间阵列流形的残差切向量,而 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 与 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 的导数是沿 reference steering vector 的时间相位切向量。
在标准窄带阵列模型下,这两个残差方向在 Fisher 内积意义下正交,因此 single-satellite multi-frame 的 DoA bound 在 known-rate 与 unknown-rate 设置下可以完全一致。
该结论应被理解为 reference-satellite parameterization 的 sanity check,而不是新的主要创新点。
在 multi-satellite 情形中,非参考星的 $\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 和 $\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 会把时间相位导数引入 DoA score,因此严格正交性一般不再成立;若数值上 DoA bound 仍几乎重合,则说明该 representative geometry 下 DoA 方向与 residualized Doppler-rate nuisance 之间的耦合较弱。
因此,本文后续算法与性能分析都围绕如下统一问题展开:在短观测窗口下,基于多星多帧连续相位观测,利用结构化或 relaxed concentrated MLE 估计主参数 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$,并将 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 作为干扰参数进行 profile 处理和 calibrated information accounting;同时,以独立相位模型作为对比基线,定量说明保留跨帧连续相位的必要性。对应的 Fisher 信息和 CRB 推导分别放在 \ref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb} 与 \ref{sec:A8_dynIndependentPhaseCrb} 中。 \subsection{EFIM 投影解释与多星 Doppler 增益}
\subsection{多星增益与 Doppler 信息可辨识性的投影解释}
\label{subsec:multiSatGainFdIdentifiability} \label{subsec:multiSatGainFdIdentifiability}
从 Fisher 信息的角度看,多星协作带来的增益并不是对 多星协作带来的增益并不是对 $\boldsymbol\xi$ 与 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的等比例放大。
$\boldsymbol\xi$ 与 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的等比例放大。更精确地说,新增观测只增加主参数 score 新增观测只增加主参数 score 在干扰参数 score 正交补上的投影长度。
在干扰参数 score 正交补上的投影长度。令 若令 $\boldsymbol\psi_\mu$ 表示只影响均值向量的干扰参数(包含 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$、相位与幅度),白化均值 Jacobian 分别记为 $\bar{\mathbf J}_\eta,\bar{\mathbf J}_\psi$,则消去干扰参数后的 EFIM 写为投影 Gram 矩阵
\begin{equation}
\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}
=
\begin{bmatrix}
\boldsymbol\xi^\Tran & \nu_{\mathrm{ref}}
\end{bmatrix}^\Tran,
\qquad
\boldsymbol\psi_\mu
=
\text{只影响均值向量的干扰参数},
\end{equation}
其中 $\boldsymbol\psi_\mu$ 可包含 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$、相位和幅度等局部参数。
设白化后的均值 Jacobian 为
\begin{equation}
\bar{\mathbf J}_{\eta}
\triangleq
\mathbf R_n^{-1/2}
\frac{\partial\boldsymbol\mu}{\partial\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}},
\qquad
\bar{\mathbf J}_{\psi}
\triangleq
\mathbf R_n^{-1/2}
\frac{\partial\boldsymbol\mu}{\partial\boldsymbol\psi_\mu}.
\end{equation}
则消去干扰参数后的 EFIM 可写成投影 Gram 矩阵
\begin{equation} \begin{equation}
\mathcal I_{\mathrm{e}} \mathcal I_{\mathrm{e}}
= =
2\Re\left\{ 2\Re\!\left\{
\bar{\mathbf J}_{\eta}^{\Herm} \bar{\mathbf J}_{\eta}^{\Herm}
\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}_{\psi}} \mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}
\bar{\mathbf J}_{\eta} \bar{\mathbf J}_{\eta}
\right\}, \right\},
\qquad
\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}
=
\mathbf I-
\bar{\mathbf J}_{\psi}
\left(\bar{\mathbf J}_{\psi}^{\Herm}\bar{\mathbf J}_{\psi}\right)^\dagger
\bar{\mathbf J}_{\psi}^{\Herm}.
\label{eq:main_dyn_efim_projection}
\end{equation} \end{equation}
因此,EFIM 奇异的判据不是 $\bar{\mathbf J}_{\eta}$ 本身是否满秩,而是投影后的主参数 其奇异性由投影后主参数 Jacobian 的秩决定,而非 $\bar{\mathbf J}_\eta$ 本身。详细的投影解释、最小投影角 $\sin^2\theta_{\min}$ 定义、以及 $\boldsymbol\xi$/$\nu_{\mathrm{ref}}$ Schur 分块下的 DoA--Doppler 耦合比例 $\gamma_{\xi,\nu}^2$ 见附录~\ref{subsec:A7_efimIllConditioning}。
Jacobian 是否满秩:
\begin{equation}
\mathcal I_{\mathrm{e}}\ \text{奇异}
\quad\Longleftrightarrow\quad
\operatorname{rank}\left(
\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}\bar{\mathbf J}_{\eta}
\right)
<
\dim(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}).
\label{eq:main_dyn_efim_rank_condition}
\end{equation}
等价地,存在非零方向 $\delta\boldsymbol\eta\neq\mathbf 0$,使得
\begin{equation}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\in
\operatorname{range}(\bar{\mathbf J}_{\psi}),
\label{eq:main_dyn_exact_nuisance_range}
\end{equation}
或在近奇异情形下满足
\begin{equation}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\approx
\bar{\mathbf J}_{\psi}\delta\boldsymbol\psi .
\label{eq:main_dyn_near_nuisance_range}
\end{equation}
这表明,某个主参数扰动的一阶均值变化若能被 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$、相位或幅度等干扰参数
近似吸收,则该方向在边际化后只保留很少有效信息。
为了刻画 ``近吸收'' 的程度,可定义局部最小投影角 将 EFIM 按 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$ 分块后,$\boldsymbol\xi$ 未知条件下 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的边际 \gls{crb} 满足
\begin{equation} \begin{equation}
\sin^2\theta_{\min}
\triangleq
\min_{\delta\boldsymbol\eta\neq\mathbf 0}
\frac{
\left\|
\mathcal P^{\perp}_{\bar{\mathbf J}_{\psi}}
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\right\|_2^2
}{
\left\|
\bar{\mathbf J}_{\eta}\delta\boldsymbol\eta
\right\|_2^2
}.
\label{eq:main_dyn_min_projection_angle}
\end{equation}
当 $\theta_{\min}\approx 0$ 时,说明主参数 score 子空间中存在接近干扰子空间的方向,
此时 $\lambda_{\min}(\mathcal I_{\mathrm{e}})$ 会很小。多星几何可以快速增大与
$\boldsymbol\xi$ 有关的主特征值,但若式~\eqref{eq:main_dyn_min_projection_angle} 中的最小投影角
仍然很小,则 EFIM 条件数
\begin{equation}
\kappa(\mathcal I_{\mathrm{e}})
=
\frac{\lambda_{\max}(\mathcal I_{\mathrm{e}})}
{\lambda_{\min}(\mathcal I_{\mathrm{e}})}
\end{equation}
仍可能随着多星几何增强而变大。
进一步,将 EFIM 按
$\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}=[\boldsymbol\xi^\Tran,\nu_{\mathrm{ref}}]^\Tran$ 分块:
\begin{equation}
\mathcal I_{\mathrm{e}}
=
\begin{bmatrix}
\mathcal I_{\xi\xi} & \mathcal I_{\xi\nu} \\
\mathcal I_{\nu\xi} & \mathcal I_{\nu\nu}
\end{bmatrix},
\qquad
\mathcal I_{\xi\xi}\in\mathbb R^{2\times2},\quad
\mathcal I_{\nu\nu}\in\mathbb R .
\label{eq:main_dyn_efim_xi_nu_partition}
\end{equation}
若 $\boldsymbol\xi$ 已知,则 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的 scalar 信息为 $\mathcal I_{\nu\nu}$;
若 $\boldsymbol\xi$ 未知,则 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的边际信息为 Schur 补
\begin{equation}
\mathcal I_{\nu|\xi}
=
\mathcal I_{\nu\nu}
-
\mathcal I_{\nu\xi}
\mathcal I_{\xi\xi}^{\dagger}
\mathcal I_{\xi\nu}.
\label{eq:main_dyn_nu_schur_after_xi}
\end{equation}
为避免与幅度符号 $\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}$ 混淆,本文不用 $\rho$ 表示相关系数;在本小节中局部定义
DoA--Doppler 耦合比例
\begin{equation}
\gamma_{\xi,\nu}^{2}
\triangleq
\frac{
\mathcal I_{\nu\xi}
\mathcal I_{\xi\xi}^{\dagger}
\mathcal I_{\xi\nu}
}{
\mathcal I_{\nu\nu}
},
\qquad
0\leq \gamma_{\xi,\nu}^{2}\leq 1,
\label{eq:main_dyn_xi_nu_coupling_fraction}
\end{equation}
则
\begin{equation}
\mathcal I_{\nu|\xi}
=
\mathcal I_{\nu\nu}(1-\gamma_{\xi,\nu}^{2}),
\qquad
\operatorname{CRB}_{\nu} \operatorname{CRB}_{\nu}
= =
\frac{1}{\mathcal I_{\nu\nu}(1-\gamma_{\xi,\nu}^{2})}. \frac{1}{\mathcal I_{\nu\nu}(1-\gamma_{\xi,\nu}^{2})},
\label{eq:main_dyn_nu_crb_coupling_fraction} \qquad
\end{equation}
式~\eqref{eq:main_dyn_nu_crb_coupling_fraction} 给出了更直接的解释:多星确实可能增加
$\mathcal I_{\nu\nu}$,但若同时使 $\gamma_{\xi,\nu}^{2}$ 较大,则 Schur 补后的
$\mathcal I_{\nu|\xi}$ 仍然增长有限。相对于 DoA 已知的 scalar bound,DoA 未知时的 Doppler
标准差放大量为
\begin{equation}
\frac{\sqrt{\operatorname{CRB}_{\nu}}} \frac{\sqrt{\operatorname{CRB}_{\nu}}}
{1/\sqrt{\mathcal I_{\nu\nu}}} {1/\sqrt{\mathcal I_{\nu\nu}}}
= =
\frac{1}{\sqrt{1-\gamma_{\xi,\nu}^{2}}}. \frac{1}{\sqrt{1-\gamma_{\xi,\nu}^{2}}}.
\label{eq:main_dyn_nu_std_inflation}
\end{equation} \end{equation}
因此,pair 场景中即使 scalar Doppler 信息有增加,只要 $\gamma_{\xi,\nu}^{2}$ 较大, 因此 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的多星增益受 DoA--Doppler 耦合比例约束:即使多星几何能放大 $\mathcal I_{\nu\nu}$,若 $\gamma_{\xi,\nu}^2$ 随 $L$ 增大而恶化,则边际 Doppler CRB 仍受限。
边际 Doppler CRB 仍会被显著放大。 $\boldsymbol\xi$ 的增益主要来自空间视线与阵列流形几何多样性;$\nu_{\mathrm{ref}}$ 的增益主要来自能量叠加与跨帧相干结构,并受到 Schur 损失限制。
若用上标 $(L)$ 表示 $L$ 颗协作卫星下的 EFIM 分块,则相对于单星的参考 Doppler 标准差增益可写为
\begin{equation}
G_{\nu}(L)
\triangleq
\frac{\sqrt{\operatorname{CRB}_{\nu}^{(1)}}}
{\sqrt{\operatorname{CRB}_{\nu}^{(L)}}}
=
\sqrt{
\frac{
\mathcal I_{\nu\nu}^{(L)}
\left(1-\gamma_{\xi,\nu}^{2,(L)}\right)
}{
\mathcal I_{\nu\nu}^{(1)}
\left(1-\gamma_{\xi,\nu}^{2,(1)}\right)
}
}.
\label{eq:main_dyn_multisat_nu_gain}
\end{equation}
只有当 DoA--Doppler 耦合比例不随 $L$ 增大而恶化时,$G_{\nu}(L)$ 才会接近能量叠加所对应的
$\sqrt L$ 量级;若新增卫星主要增强 $\mathcal I_{\xi\xi}$ 的几何方向,而
$\gamma_{\xi,\nu}^{2,(L)}$ 仍然较大,则 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的边际增益会明显小于
角度 CRB 的改善。由此可见,实际 \gls{leo} 多星场景中的多星收益应分开理解:
$\boldsymbol\xi$ 的收益主要来自空间视线和阵列流形几何的多样性;$\nu_{\mathrm{ref}}$ 的收益主要来自
能量叠加和跨帧相干结构,并受到式~\eqref{eq:main_dyn_nu_schur_after_xi} 中 DoA--Doppler
Schur 补损失的限制。
\subsection{周期多帧观测下的 Doppler comb 与 tooth ambiguity} \subsection{周期多帧观测下的 Doppler comb 与 tooth ambiguity}
\label{subsec:fdCombToothAmbiguity} \label{subsec:fdCombToothAmbiguity}
上一小节的 EFIM 分析描述的是已落入正确局部 basin 后的 in-tooth 曲率;它不能解释 上一小节的 EFIM 描述的是已落入正确局部 basin 后的 in-tooth 曲率;它不能解释 profile likelihood 在 Doppler 方向上的全局离散多峰结构。
profile likelihood 在 Doppler 方向上的全局离散多峰结构。该多峰结构来自帧起始时刻集合 若参与相干匹配的帧集合为 $\mathcal P$、第 $p$ 帧起始偏移为 $\tau_p$,则沿 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 方向的集中目标包含 frame-time spectral window
本身。令参与相干匹配的帧集合为 $\mathcal P$,并记第 $p$ 帧起始点的离散采样偏移为
$\tau_p$。若参考 Doppler 存在归一化角频率偏移 $\Delta\nu$,则跨帧公共相位因子为
\begin{equation}
\exp\{j\Delta\nu\tau_p\}.
\end{equation}
因此,沿 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 方向的集中目标中自然包含 frame-time spectral window
\begin{equation} \begin{equation}
W_{\mathcal P}(\Delta\nu) W_{\mathcal P}(\Delta\nu)
\triangleq \triangleq
\sum_{p\in\mathcal P} w_p \sum_{p\in\mathcal P} w_p\exp\{j\Delta\nu\tau_p\}.
\exp\{j\Delta\nu\tau_p\},
\label{eq:main_fd_comb_window}
\end{equation} \end{equation}
其中 $w_p\geq0$ 表示第 $p$ 帧在局部线性化下的等效权重。若使用等间隔周期帧, 等间隔 $\tau_p=p\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 且 $w_p$ 近似一致时,$W_{\mathcal P}$ 退化为离散 Dirichlet 窗口,在
\begin{equation} \begin{equation}
\tau_p=p\Delta\tau_{\mathrm{f}}, \Delta\nu=k\Delta\nu_{\mathrm{tooth}},
\qquad p=0,\ldots,P-1,
\end{equation}
并且 $w_p$ 近似一致,则式~\eqref{eq:main_fd_comb_window} 退化为离散 Dirichlet 型窗口
\begin{equation}
W_{\mathcal P}(\Delta\nu)
\approx
\exp\left\{j\frac{(P-1)\Delta\nu\Delta\tau_{\mathrm{f}}}{2}\right\}
\frac{
\sin\left(P\Delta\nu\Delta\tau_{\mathrm{f}}/2\right)
}{
\sin\left(\Delta\nu\Delta\tau_{\mathrm{f}}/2\right)
}.
\label{eq:main_fd_comb_dirichlet}
\end{equation}
于是当
\begin{equation}
\Delta\nu
=
k\Delta\nu_{\mathrm{tooth}},
\qquad \qquad
\Delta\nu_{\mathrm{tooth}} \Delta\nu_{\mathrm{tooth}}\triangleq\frac{2\pi}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}},
\triangleq \qquad k\in\mathbb Z
\frac{2\pi}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}},
\qquad k\in\mathbb Z,
\label{eq:main_fd_comb_tooth_spacing_norm}
\end{equation} \end{equation}
有 处所有帧相位同时对齐,产生间隔为 $\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}$ 的 comb-like objective branches。
\begin{equation} 换算到物理 Hz 即 $\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}^{\mathrm{Hz}}=1/(\Delta\tau_{\mathrm{f}}T_{\mathrm s})$。
\exp\{j\Delta\nu\tau_p\} 该 comb 是全局 profile likelihood 的周期窗口效应,与 EFIM 局部曲率并不矛盾——EFIM 只刻画某一个 tooth 内的二阶曲率,并不保证全局唯一 tooth。
=
\exp\{j2\pi kp\}
=1,
\qquad \forall p.
\end{equation}
因此,周期多帧观测会在参考 Doppler 方向上产生间隔为
$\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}$ 的 comb-like objective branches。若换算成物理 Hz 单位,并记相邻帧
物理间隔为 $T_{\mathrm{f}}^{\mathrm{sec}}=\Delta\tau_{\mathrm{f}}T_{\mathrm s}$,则
\begin{equation}
\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}^{\mathrm{Hz}}
=
\frac{1}{T_{\mathrm{f}}^{\mathrm{sec}}}.
\label{eq:main_fd_comb_tooth_spacing_hz}
\end{equation}
该 comb 是全局 profile likelihood 的周期窗口效应,与局部 EFIM 曲率并不矛盾:EFIM 只刻画
某一个 tooth 内的二阶曲率,而不保证全局唯一 tooth。
相邻 tooth 是否容易区分,还取决于单帧 pilot block 的有限长度。对于长度为 $T$ 个采样点的 相邻 tooth 是否容易区分由两层因素共同决定:单帧 pilot block 的长度 $T$(控制块内 Doppler 相干带宽)与非周期 subset 的窗口形状(控制 comb 旁瓣压制)。
块,归一化 Doppler 偏移 $\Delta\nu$ 在块内产生的归一化相关为 当 $T\ll\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 时,相邻 tooth 的块内相干损失约为 $\frac{\pi^2}{3}(T/\Delta\tau_{\mathrm{f}})^2$,因此增大 $T$ 可增强相邻 tooth 的分离度。
\begin{equation} 非周期 subset 更适合用于 tooth acquisition;完整周期数据在 tooth 选对之后由于保留更多相干能量,更适合同 tooth 内 refine。
R_T(\Delta\nu) 若定义 tooth 可分离性为不同 $k$ 下 profile optimum 之间的目标差
\triangleq
\frac{1}{T}\sum_{t=0}^{T-1}\exp\{j\Delta\nu t\}
=
\frac{\exp\{j(T-1)\Delta\nu/2\}}{T}
\frac{\sin(T\Delta\nu/2)}{\sin(\Delta\nu/2)}.
\label{eq:main_fd_block_corr}
\end{equation}
因此,相邻 tooth 的块内相干损失可用
\begin{equation}
D_{\mathrm{blk}}
\triangleq
1-
\left|R_T(\Delta\nu_{\mathrm{tooth}})\right|^2
\label{eq:main_fd_block_tooth_loss}
\end{equation}
刻画。当 $T\ll\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 时,由
$\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}=2\pi/\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 得到近似
\begin{equation}
D_{\mathrm{blk}}
\approx
1-
\operatorname{sinc}^{2}\left(\frac{T}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}}\right)
\approx
\frac{\pi^2}{3}\left(\frac{T}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}}\right)^2,
\label{eq:main_fd_block_loss_small_ratio}
\end{equation}
其中 $\operatorname{sinc}(x)=\sin(\pi x)/(\pi x)$。因此,增大 pilot block length 可以增强相邻
Doppler tooth 的分离度;但这并不意味着单个块内的 Doppler-rate 二次相位已经提供了强曲率。
在短同步块 \,\gls{leo} 场景中,$\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 对可辨识性的主要影响仍来自跨帧相位演化
以及被作为干扰参数消去后的 Schur 补损失。
非周期帧子集可以用同一个窗口解释。若选取子集
\begin{equation}
\mathcal T_{\mathrm{sub}}
=
\{\tau_{p_1},\ldots,\tau_{p_Q}\},
\end{equation}
则对应窗口为
\begin{equation}
W_{\mathrm{sub}}(\Delta\nu)
=
\sum_{q=1}^{Q}w_q
\exp\{j\Delta\nu\tau_{p_q}\}.
\label{eq:main_fd_subset_window}
\end{equation}
当 $\mathcal T_{\mathrm{sub}}$ 破坏严格等间隔结构时,
$\Delta\nu=k\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}$ 不再必然使所有帧相位同时对齐,周期 comb sidelobes 会被压低。
因此,非周期 subset 更适合用于 tooth acquisition;而完整周期数据在 tooth 选对之后,由于保留了更多
相干能量,更适合同 tooth 内 refine。若定义第 $k$ 个 Doppler tooth 内的 profile optimum 为
$\widehat{\boldsymbol\eta}_k$,则 tooth 可分离性可写为
\begin{equation} \begin{equation}
D_{\mathrm{tooth}} D_{\mathrm{tooth}}
\triangleq \triangleq
\min_{k\in\mathbb Z\setminus\{0\}} \min_{k\neq0}
\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{k}) \mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{k})
- -
\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{0}). \mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{0}),
\label{eq:main_fd_tooth_discriminability}
\end{equation} \end{equation}
这里 $k=0$ 表示正确 tooth。若 $D_{\mathrm{tooth}}$ 较小或为负,则局部 CRB 即使很小,MLE 仍可能 则 EFIM/CRB 只有在 $D_{\mathrm{tooth}}$ 足够大、tooth 选对后才能作为同 tooth 内估计误差的局部描述。Dirichlet 窗口的完整推导、块内相干损失的 sinc 近似与 tooth 可分离性的数值刻画均见附录~\ref{sec:A7_dynDoaDopplerCrb} 末尾的补充分析。
落在错误 tooth;若 $D_{\mathrm{tooth}}$ 足够大,则后续的 EFIM/CRB 才能作为同 tooth 内估计误差的局部描述。
本节完成了多帧动态主线:CP 模型通过同星公共相位 $\chi_\ell$ 显式利用跨帧绝对时间信息,IP 模型作为对照基线放弃跨帧绝对相位;二者的 EFIM 差异量化了跨帧连续相位携带的信息量。