content(sec5): 补全公共方向窗口仿射映射与导数

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其中已利用正文中的几何参数化:$\dfrac{\partial \nu_\ell}{\partial \nu_{\mathrm{ref}}}=1$,$\dfrac{\partial \dot\nu_\ell}{\partial \dot\nu_{\mathrm{ref}}}=1$。这里的显式导数采用正文中的加性参考星参数化,$\nu_\ell=\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$ 且 $\dot\nu_\ell=\dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi)$;若改用一般映射,只需将上述两个导数替换为对应链式法则项。
对固定方向模型,角度导数可直接由 \eqref{eq:sec3_dnu_projection} 与 \eqref{eq:sec5_relative_rate_fixed_direction} 给出:
对固定方向的瞬时 Taylor 系数构造,角度导数由 \eqref{eq:sec3_dnu_projection} 与 \eqref{eq:sec5_relative_rate_fixed_direction} 给出;窗口拟合构造的替代导数见\appref{subsec:A7_affine_window_derivatives}:
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\begin{equation}
\begin{aligned}
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所有角度导数以弧度为自变量,$\epsilon_D=-1$;旋转矩阵及参考时刻星历在求参数导数时保持已知。空间导数由 \eqref{eq:A6_uloc_jac} 与 \eqref{eq:sec3_propagation_steering} 直接链式计算,可避免在局部角极点处使用 atan2/arcsin 导数。
\paragraph{窗口 affine 映射的系数与导数}
\label{subsec:A7_affine_window_derivatives}
沿用 \eqref{eq:sec5_affine_window_coefficients} 的 $s_p$、$\mathbf X\in\mathbb R^{P\times2}$ 和 $\mathbf V_\ell\in\mathbb R^{P\times3}$,记帧节点上的相对频移向量为 $\mathbf d_\ell=(\epsilon_D/\lambda_{\mathrm c})\mathbf V_\ell\mathbf u$。固定拟合时刻与帧集合,且 $\operatorname{rank}(\mathbf X)=2$ 时,正规方程给出
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\begin{equation}
\mathbf c_\ell
=\argmin_{\mathbf c\in\mathbb R^2}\|\mathbf d_\ell-\mathbf X\mathbf c\|_2^2
=(\mathbf X^\Tran\mathbf X)^{-1}\mathbf X^\Tran\mathbf d_\ell
=\mathbf X^\dagger\mathbf d_\ell.
\label{eq:A7_affine_normal_equations}
\end{equation}
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该表达式用于推导;数值实现可用 QR 或适当缩放的 SVD 求解。由于 $\mathbf X$、$\mathbf V_\ell$ 与拟合权重不随候选方向变化,对 $x\in\{\alpha,\beta\}$ 有
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\begin{equation}
\begin{bmatrix}
\frac{\partial\nu_\ell}{\partial x}\\
\frac{\partial\dot\nu_\ell}{\partial x}
\end{bmatrix}
=\begin{bmatrix}2\pi T_{\mathrm s}&0\\0&2\pi T_{\mathrm s}^2\end{bmatrix}
\frac{\epsilon_D}{\lambda_{\mathrm c}}\mathbf X^\dagger\mathbf V_\ell
\frac{\partial\mathbf u}{\partial x}.
\label{eq:A7_affine_angle_derivatives}
\end{equation}
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其中 $\dfrac{\partial\mathbf u}{\partial x}$ 取全局方向的解析导数。将 \eqref{eq:A7_affine_angle_derivatives} 代入 \eqref{eq:A7_qx_cp} 即得到窗口拟合模型的时间模板导数,空间导数保持不变。若在计算信息矩阵时只选择部分观测块,而系数仍由完整窗口定义,则拟合帧集合保持固定;若重新定义拟合窗口,均值与全部导数须同步更新。单帧或所有拟合时刻相同不能唯一确定两个系数,需要另给已知斜率等约束。
令 $\mathbf c_{\mathrm{ref}}=[f_{\mathrm{ref}},\dot f_{\mathrm{ref}}]^\Tran$。先加参考频率再拟合,或先拟合相对频率再加参考系数,满足
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\begin{equation}
\mathbf X^\dagger(\mathbf X\mathbf c_{\mathrm{ref}}+\mathbf d_\ell)
=\mathbf c_{\mathrm{ref}}+\mathbf X^\dagger\mathbf d_\ell,
\qquad \mathbf X^\dagger\mathbf X=\mathbf I_2.
\label{eq:A7_affine_reference_additivity}
\end{equation}
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因此参考 Doppler 与参考 rate 的导数仍为 \eqref{eq:A7_qomega_cp}、\eqref{eq:A7_qgamma_cp}。CP-K 只固定参考 rate,\eqref{eq:A7_affine_angle_derivatives} 的第二行仍保留;CP-U/IP-U 按原参数表消去未知参考 rate。相同的幅相干扰结构、实化投影与秩条件继续适用,无须改变后续 Fisher 分块。
若拟合在另一时间原点完成,令 $\delta=t_{\mathrm{new}}-t_{\mathrm{old}}$,在相同物理节点上有 $s_{p,\mathrm{new}}=s_{p,\mathrm{old}}-\delta$。固定样本及无权准则时,两组直线张成相同子空间,系数和每星公共相位按
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\begin{equation}
\begin{aligned}
f_{\ell,\mathrm{new}}&=f_{\ell,\mathrm{old}}+\delta\dot f_{\ell,\mathrm{old}},
&\dot f_{\ell,\mathrm{new}}&=\dot f_{\ell,\mathrm{old}},\\
\chi_{\ell,\mathrm{new}}&=\chi_{\ell,\mathrm{old}}
+2\pi\left(f_{\ell,\mathrm{old}}\delta+\frac12\dot f_{\ell,\mathrm{old}}\delta^2\right)
\end{aligned}
\label{eq:A7_affine_epoch_transform}
\end{equation}
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变换,保持二次相位均值相同。令 $\mathbf T_\delta$ 为四阶单位矩阵加上第 $(3,4)$ 元的 $\delta$,则消去幅相后的物理参数 $[\alpha,\beta,f_{\mathrm{ref}},\dot f_{\mathrm{ref}}]^\Tran$ 的有效协方差界满足 $\mathbf C_{\mathrm{new}}=\mathbf T_\delta\mathbf C_{\mathrm{old}}\mathbf T_\delta^\Tran$。该关系要求有效的完整结构协方差;未知 rate 已被消去的三维矩阵缺少频率与 rate 的互协方差,不能单独完成此变换。窗口拟合不会改变公共方向的几何假设,亦不引入地表位置约束。
于是空时模板对主参数与 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$ 的导数分别为
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\begin{equation}