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。
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\end{abstract}
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\end{abstract}
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\input{parts/preface.tex}
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\input{parts/preface.tex}
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\input{parts/02-modeling.tex}
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\input{parts/sec1_singleArrayDoa.tex}
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\input{parts/sec1_singleArrayDoa.tex}
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\input{parts/sec2_singleArrayDoaDoppler.tex}
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\input{parts/sec2_singleArrayDoaDoppler.tex}
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\input{parts/sec3_multiSatSingleUser.tex}
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\input{parts/sec3_multiSatSingleUser.tex}
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-70
@@ -1,108 +1,173 @@
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\section{确定信号 DoA 估计\texorpdfstring{~\cite{stoicaMusicMaximumLikelihood1989}}{}}
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\section{多快拍确定信号 DoA 估计\texorpdfstring{~\cite{stoicaMusicMaximumLikelihood1989}}{}}
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\label{sec:det_doa_est}
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\label{sec:det_doa_est}
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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。
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本节是整份笔记的实质起点。
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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。
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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 $\bm\Theta$。
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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}。
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\subsection{似然函数求取}
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\subsection{信号模型}
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\label{subsec:single_arr_doa_est}
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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
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假设 $K$ 个信源的来向参数收集为
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\begin{equation}
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\begin{equation}
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||||||
\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
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||||||
\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
|
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||||||
\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}
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||||||
对应的对数似然函数为
|
其中:
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\begin{itemize}
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||||||
|
\item 观测向量 $\mathbf y_t \in \mathbb C^{M\times 1}$;
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|
\item 导向矩阵
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||||||
|
$
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||||||
|
\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;
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||||||
|
\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;
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||||||
|
\item 噪声向量 $\mathbf n_t\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_n^2\mathbf I_M)$。
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||||||
|
\end{itemize}
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||||||
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||||||
|
将所有快拍按列堆叠得到矩阵形式
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\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。
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||||||
|
本节待估主参数为
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||||||
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\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 $\sigma_n^2$。
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\subsection{阵列模型:ULA 与 UPA}
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\label{subsec:single_arr_array_model}
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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。
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\subsubsection{ULA}
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\label{subsubsec:single_arr_ula_model}
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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
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||||||
|
\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}
|
||||||
|
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||||||
|
\subsubsection{UPA}
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\label{subsubsec:single_arr_upa_model}
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||||||
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||||||
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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
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||||||
|
\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 $\mathbf a_{\mathrm{UPA}}(\bm\theta_k)=\mathbf a_y(\bm\theta_k)\otimes\mathbf a_x(\bm\theta_k)\in\mathbb C^{M\times 1}$。
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||||||
|
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||||||
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\subsection{对数似然与确定最大似然准则}
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||||||
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||||||
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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 $\bm\Theta$。
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对应的 \gls{dml}/\gls{cml} 优化问题为
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||||||
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||||||
\subsection{确定/条件最大似然估计}
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||||||
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||||||
\subsubsection{原始问题建模}
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||||||
|
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||||||
\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}
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||||||
其中 $\varTheta$ 为 $\bm\Theta$ 的可行域。
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||||||
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||||||
\subsubsection{集中似然表达}
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\subsection{集中似然与投影残差准则}
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||||||
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||||||
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
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||||||
|
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||||||
对固定的 $\bm\Theta$,令 $\partial\ln\mathcal L/\partial\mathbf x_t=0$,可得
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|
||||||
\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}。
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||||||
\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。
|
|
||||||
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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。
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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。
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\subsection{随机信号模型的对比与取舍}
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\label{subsec:sml_contrast}
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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。
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||||||
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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。
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@@ -1,48 +1,56 @@
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\section{确定信号 DoA--Doppler 估计}
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\section{加入 Doppler——单阵列确定信号 DoA--Doppler 估计}
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\label{sec:det_doa_doppler_est}
|
\label{sec:det_doa_doppler_est}
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||||||
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。
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||||||
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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。
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||||||
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详细 \gls{crb} 推导见附录~\ref{sec:det_doa_doppler_crb}。
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||||||
\subsection{似然函数求取}
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\subsection{信号模型}
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||||||
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\label{subsec:single_arr_doa_doppler_est}
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||||||
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
@@ -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}
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||||||
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|
||||||
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 $\pm 55^\circ$。
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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}。
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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。
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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。
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\begin{figure}[!h]
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\begin{figure}[!h]
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\centering
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\centering
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@@ -283,4 +267,5 @@
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\label{fig:multiSatSingleSourceScene}
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\label{fig:multiSatSingleSourceScene}
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||||||
\end{figure}
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\end{figure}
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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。
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||||||
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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。
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+87
-679
@@ -1,64 +1,16 @@
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\section{多星动态多帧连续相位 DoA--Doppler 估计问题模型}
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\section{多帧动态模型与连续相位结构}
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\label{sec:dynamicDoaDopplerEst}
|
\label{sec:dynamicDoaDopplerEst}
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\subsection{离散时间统一符号与参考星参数化}
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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。
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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。
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||||||
|
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。
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||||||
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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}。
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||||||
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
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\subsection{时间索引与参考星 Doppler rate}
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||||||
\begin{equation}
|
|
||||||
\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}}
|
|
||||||
=
|
|
||||||
\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}
|
|
||||||
=
|
|
||||||
\begin{bmatrix}
|
|
||||||
\boldsymbol\xi\\
|
|
||||||
\nu_{\mathrm{ref}}
|
|
||||||
\end{bmatrix},
|
|
||||||
\end{equation}
|
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||||||
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。
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||||||
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|
||||||
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。
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|
||||||
|
|
||||||
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。
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||||||
该结论应被理解为 reference-satellite parameterization 的 sanity check,而不是新的主要创新点。
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||||||
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。
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||||||
|
|
||||||
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。
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\subsection{EFIM 投影解释与多星 Doppler 增益}
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||||||
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||||||
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|
||||||
\subsection{多星增益与 Doppler 信息可辨识性的投影解释}
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||||||
\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。
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||||||
$\boldsymbol\xi$ 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}
|
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刻画。当 $T\ll\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 时,由
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$\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}=2\pi/\Delta\tau_{\mathrm{f}}$ 得到近似
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\begin{equation}
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D_{\mathrm{blk}}
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\approx
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1-
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\operatorname{sinc}^{2}\left(\frac{T}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}}\right)
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\approx
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\frac{\pi^2}{3}\left(\frac{T}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}}\right)^2,
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\label{eq:main_fd_block_loss_small_ratio}
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\end{equation}
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其中 $\operatorname{sinc}(x)=\sin(\pi x)/(\pi x)$。因此,增大 pilot block length 可以增强相邻
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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。
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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
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以及被作为干扰参数消去后的 Schur 补损失。
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非周期帧子集可以用同一个窗口解释。若选取子集
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\begin{equation}
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\mathcal T_{\mathrm{sub}}
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=
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\{\tau_{p_1},\ldots,\tau_{p_Q}\},
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\end{equation}
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则对应窗口为
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\begin{equation}
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W_{\mathrm{sub}}(\Delta\nu)
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=
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\sum_{q=1}^{Q}w_q
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\exp\{j\Delta\nu\tau_{p_q}\}.
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\label{eq:main_fd_subset_window}
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\end{equation}
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当 $\mathcal T_{\mathrm{sub}}$ 破坏严格等间隔结构时,
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$\Delta\nu=k\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}$ 不再必然使所有帧相位同时对齐,周期 comb sidelobes 会被压低。
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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
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相干能量,更适合同 tooth 内 refine。若定义第 $k$ 个 Doppler tooth 内的 profile optimum 为
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$\widehat{\boldsymbol\eta}_k$,则 tooth 可分离性可写为
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\begin{equation}
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\begin{equation}
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D_{\mathrm{tooth}}
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D_{\mathrm{tooth}}
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\triangleq
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\triangleq
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\min_{k\in\mathbb Z\setminus\{0\}}
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\min_{k\neq0}
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\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{k})
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\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{k})
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-
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-
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\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{0}).
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\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{0}),
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\label{eq:main_fd_tooth_discriminability}
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\end{equation}
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\end{equation}
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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
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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。
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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。
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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。
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