fix(equation): 与正文连续的公式补 % 隔行占位
按新约定,给紧贴正文(无空行)的 \begin{equation}/\end{equation} 两侧各
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公式不加。% 占位不影响渲染,diff 纯为新增 % 行,编译两遍输出不变。
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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。
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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
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\begin{equation}
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\nu_\ell
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=
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@@ -20,12 +21,14 @@
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=
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\dot\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\dot\nu_\ell(\boldsymbol\xi),
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\end{equation}
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由已知几何唯一诱导,沿用 \S\ref{subsec:refSatParameterization} 的参考星参数化。
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\subsection{连续相位多帧信号模型(CP)}
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\label{subsec:dynamicCpModel}
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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:
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\begin{equation}
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\phi^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t)
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=
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@@ -35,7 +38,9 @@
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\qquad
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t_{p,t}=\tau_p+t.
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\end{equation}
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%
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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
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%
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\begin{equation}
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\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}
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\triangleq
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@@ -43,7 +48,9 @@
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\qquad
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\rho_{\ell,p}^{\mathrm{cp}}\in\mathbb R_{\ge0},
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\end{equation}
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%
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则 CP 模型接收向量为
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%
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\begin{equation}
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\mathbf y^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}(t)
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=
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@@ -54,10 +61,12 @@
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+
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\mathbf n_{\ell,p}(t),
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\end{equation}
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%
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其中 $\mathbf n_{\ell,p}(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell})$。
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$\chi_\ell$ 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。
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定义 CP 模板与空时模板
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%
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\begin{equation}
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\mathbf q^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
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\triangleq
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@@ -73,7 +82,9 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
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\otimes
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\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi),
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\end{equation}
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%
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则向量化模型为
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%
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\begin{equation}
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\tilde{\mathbf y}^{\mathrm{cp}}_{\ell,p}
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=
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@@ -87,6 +98,7 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
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\label{subsec:independentPhaseModel}
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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:
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%
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\begin{equation}
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\nu_\ell t_{p,t}+\frac{1}{2}\dot\nu_\ell t_{p,t}^2
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=
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@@ -94,7 +106,9 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
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||||
+
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||||
\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}}.
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\end{equation}
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%
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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
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%
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\begin{equation}
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\zeta_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}
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=
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@@ -103,7 +117,9 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
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||||
\qquad
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||||
\rho_{\ell,p}^{\mathrm{ip}}\in\mathbb R_{\ge 0},
|
||||
\end{equation}
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%
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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
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%
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\begin{equation}
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||||
\mathbf y^{\mathrm{ip}}_{\ell,p}(t)
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||||
=
|
||||
@@ -118,12 +134,14 @@ $\chi_\ell$ 为第 $\ell$ 颗卫星在参考时刻的\emph{公共相位},由
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||||
+
|
||||
\mathbf n_{\ell,p}(t).
|
||||
\end{equation}
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%
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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。
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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。
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\subsection{联合似然与集中似然}
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CP 模型的干扰参数向量为
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%
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\begin{equation}
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\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}}
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=
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@@ -134,7 +152,9 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
\{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1}
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||||
\Big]^\Tran.
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\end{equation}
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%
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在 ``星间异方差、星内短窗同方差'' 假设下,联合负对数似然为
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%
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\begin{equation}
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||||
\mathcal L_{\mathrm{cp}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{dyn}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{cp}})
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=
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||||
@@ -152,6 +172,7 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
\end{equation}
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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
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%
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\begin{equation}
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\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn}}
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=
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@@ -159,12 +180,14 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}},\{\chi_\ell\}}
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||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,str}}_\ell.
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||||
\end{equation}
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%
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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}。
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\subsection{relaxed 连续相位与 IP 集中准则}
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\label{subsec:dynamicRelaxedModel}
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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:
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%
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\begin{equation}
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||||
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,rel}}
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=
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@@ -172,7 +195,9 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}}
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||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{cp,rel}}_\ell.
|
||||
\end{equation}
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||||
%
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||||
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
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%
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\begin{equation}
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||||
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{dyn,ip}}
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||||
=
|
||||
@@ -180,6 +205,7 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
\min_{\dot\nu_{\mathrm{ref}}}
|
||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell PT\log \mathcal R^{\mathrm{ip}}_\ell.
|
||||
\end{equation}
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%
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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 $\mathcal R^{\mathrm{cp,str/rel/ip}}_\ell$ 的具体表达见\ref{sec:multiFrameCrb}。
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\subsection{Doppler rate 处理:CP-K 与 CP-U}
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@@ -198,6 +224,7 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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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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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。
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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
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%
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\begin{equation}
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\mathcal I_{\mathrm{e}}
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=
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@@ -207,9 +234,11 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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\bar{\mathbf J}_{\eta}
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\right\},
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||||
\end{equation}
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%
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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 \gls{doa}--Doppler 耦合比例 $\gamma_{\xi,\nu}^2$ 见附录~\ref{subsec:A7_efimIllConditioning}。
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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
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%
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\begin{equation}
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\operatorname{CRB}_{\nu}
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=
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@@ -220,6 +249,7 @@ CP 模型的干扰参数向量为
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||||
=
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\frac{1}{\sqrt{1-\gamma_{\xi,\nu}^{2}}}.
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||||
\end{equation}
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||||
%
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||||
因此 $\nu_{\mathrm{ref}}$ 的多星增益受 \gls{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。
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||||
$\boldsymbol\xi$ 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。
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@@ -228,18 +258,22 @@ $\boldsymbol\xi$ 的增益主要来自空间视线与阵列流形几何多样性
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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——后者属于局部 CRB 失效的门限区现象~\cite{athleyThresholdRegionPerformance2005}。
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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
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%
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\begin{equation}
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W_{\mathcal P}(\Delta\nu)
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\triangleq
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\sum_{p\in\mathcal P} w_p\exp\{j\Delta\nu\tau_p\}.
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\end{equation}
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%
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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
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%
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\begin{equation}
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\Delta\nu=k\Delta\nu_{\mathrm{tooth}},
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\qquad
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\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}\triangleq\frac{2\pi}{\Delta\tau_{\mathrm{f}}},
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\qquad k\in\mathbb Z
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\end{equation}
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%
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处所有帧相位同时对齐,产生间隔为 $\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}$ 的 comb-like objective branches。
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换算到物理 Hz 即 $\Delta\nu_{\mathrm{tooth}}^{\mathrm{Hz}}=1/(\Delta\tau_{\mathrm{f}}T_{\mathrm s})$。
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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。
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@@ -248,6 +282,7 @@ $\boldsymbol\xi$ 的增益主要来自空间视线与阵列流形几何多样性
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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。
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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。
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若定义 tooth 可分离性为不同 $k$ 下 profile optimum 之间的目标差
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%
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\begin{equation}
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D_{\mathrm{tooth}}
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\triangleq
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@@ -256,6 +291,7 @@ $\boldsymbol\xi$ 的增益主要来自空间视线与阵列流形几何多样性
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-
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\mathcal L^{\mathrm{pro}}_{\mathrm{cp}}(\widehat{\boldsymbol\eta}_{0}),
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\end{equation}
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%
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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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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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Reference in New Issue
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