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doa_doppler_est/parts/J-thresholdBounds.tex
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josh 73fcd77cce content(app-J): 新增门限区界(误指定 Barankin + Ziv-Zakai)
补界谱系门限档(计划 §7.3 阈值/§7.4 ZZB):新附录 J。
J.1 误指定 Barankin:检验点 + 似然比 Gram 捕获大误差,远
模糊检验点(错延时-Doppler 格/几何近简并)使界跳起=阈值;
误指定化承 F5(数据含真 δ、似然比用假设同步、参考=伪真
值)。J.2 ZZB(Bellini-Tartara+填谷):P_min=Q(½√D²)、D²=
去相关度跨星可加;高 SNR 退 CRB,模糊方向 P_min→½ 留地板。
★少用户基本极限:最危模糊=位置-时间戳同轴(承 F6),D² 对
用户求和、共享 δ 须解释全用户 → K≤3 欠定、地板不随 SNR
降(几何/可辨识基本极限,非估计器);多用户超定抬 D²。
sec7 加指针;主文件 input 接入。paper-agnostic(不提
失效边界/route/figure 等 paper 框架)。
2026-06-30 21:37:19 +08:00

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\section{门限区界:误指定 Barankin 与 Ziv--Zakai}
\label{sec:thresholdBounds}
\appref{sec:A6_multiArrayStatDetDoaDopplerCrb}--\appref{sec:timestampErrCrb} 的 \gls{crb}、\gls{efim} 与 \gls{mcrb} 都是\emph{局部}(小误差)界:它们刻画估计落入正确盆地后的方差,默认似然在真值(或伪真值)邻域内单峰。当信噪比降到门限以下、或参数空间存在模糊(如周期多帧的 Doppler 梳齿、或少用户下``位置--时间戳''混淆方向上的近简并)时,估计会跳到错误盆地、产生局部界无法预测的\emph{大误差}~\cite{athleyThresholdRegionPerformance2005}。本附录补两条刻画门限区的界:\emph{误指定 Barankin 界}(把\appref{subsec:F5_mcrb} 的 \gls{mcrb} 延伸到门限)与 \emph{Ziv--Zakai 界}(一条捕获模糊地板的贝叶斯界)。二者与前三档合成界谱系 $\gls{crb}\preceq\gls{efim}\to\gls{mcrb}\to\{\text{Barankin},\ \text{ZZB}\}$。
\subsection{误指定 Barankin 界与阈值}
\label{subsec:J1_barankin}
Barankin 界用\emph{检验点}捕获大误差。取参数空间中偏离参考点的 $q$ 个检验点 $\{\boldsymbol\eta_i\}_{i=1}^{q}$,定义似然比 $L_i(\mathbf y)=p(\mathbf y;\boldsymbol\eta_i)/p(\mathbf y;\boldsymbol\eta_{\mathrm r})$($\boldsymbol\eta_{\mathrm r}$ 为参考点),则任意无偏估计满足
%
\begin{equation}
\label{eq:J_barankin}
\operatorname{Cov}(\widehat{\boldsymbol\eta})
\succeq
\boldsymbol\Delta\,
\big(\mathbf M-\mathbf 1\mathbf 1^\Tran\big)^{-1}
\boldsymbol\Delta^\Tran,
\qquad
\boldsymbol\Delta=[\boldsymbol\eta_1-\boldsymbol\eta_{\mathrm r},\ldots,\boldsymbol\eta_q-\boldsymbol\eta_{\mathrm r}],
\quad
[\mathbf M]_{ij}=\mathbb E_{\boldsymbol\eta_{\mathrm r}}\{L_iL_j\},
\end{equation}
%
其中 $\mathbf 1$ 为全一向量。检验点趋近 $\boldsymbol\eta_{\mathrm r}$ 时 \eqref{eq:J_barankin} 退回 \gls{crb};远检验点则捕获门限区——当某个远检验点 $\boldsymbol\eta_{i^\star}$(对应一个\emph{模糊}的参数值,如错误的延时--Doppler 网格点或几何近简并位置)的似然比二阶矩 $\mathbb E\{L_{i^\star}^2\}$ 仍可观时,\eqref{eq:J_barankin} 较 \gls{crb} 显著抬升,预示该模糊方向上的大误差。
\emph{阈值}即由此定出:圆对称复高斯下 $\mathbb E\{L_iL_j\}=\exp\!\big\{\tfrac{1}{2}(\boldsymbol\mu_i-\boldsymbol\mu_{\mathrm r})^\Herm\mathbf R^{-1}(\boldsymbol\mu_j-\boldsymbol\mu_{\mathrm r})\big\}$ 之类的均值相关项($\boldsymbol\mu_i$ 为检验点处的均值);门限信噪比是``主导模糊检验点的去相关度 $\|\boldsymbol\mu_{i^\star}-\boldsymbol\mu_{\mathrm r}\|^2_{\mathbf R^{-1}}$ 降到 $O(1)$''之处——高于它各模糊点被压住、界贴 \gls{crb},低于它模糊点竞争、界跳起。
把上述\emph{误指定}化(承\appref{subsec:F5_mcrb}):数据由真模型(含 $\boldsymbol\delta^\star$)生成,而似然比 $L_i$ 取\emph{假设同步}($\delta=0$)模型、参考点取伪真值 $\boldsymbol\eta^{\mathrm{pt}}$~\cite{richmondParameterBoundsEstimation2015}。于是 \gls{mcrb} 是其检验点趋近 $\boldsymbol\eta^{\mathrm{pt}}$ 的局部极限,而误指定 Barankin 在此之上预测门限以下的大误差——\gls{mml} 估计器不仅有\appref{subsec:F5_mcrb} 的偏置,门限以下还叠加模糊跳变。
\subsection{Ziv--Zakai 界与模糊地板}
\label{subsec:J2_zzb}
Ziv--Zakai 界(ZZB,Bellini--Tartara 扩展形式)把估计误差与一族\emph{二元假设检验}的错误概率联系起来,从而内禀地捕获模糊。对位置的任一标量投影 $a=\mathbf c^\Tran\mathbf p$,
%
\begin{equation}
\label{eq:J_zzb}
\mathbb E\big[(\widehat a-a)^2\big]
\ge
\frac{1}{2}\int_0^\infty h\,
\mathcal V\!\Big\{
\int \big[w(\mathbf p)+w(\mathbf p+h\,\mathbf c)\big]\,
P_{\min}(\mathbf p,\mathbf p+h\,\mathbf c)\,\diff\mathbf p
\Big\}\,\diff h,
\end{equation}
%
其中 $w(\cdot)$ 为位置先验,$\mathcal V\{\cdot\}$ 是\emph{填谷}(valley-filling)算子(取非增上包络,处理模糊旁瓣),$P_{\min}(\mathbf p,\mathbf p')$ 为等先验二元检验 $\mathrm H_0\!:\mathbf p$ 与 $\mathrm H_1\!:\mathbf p'$ 的最小错误概率。圆对称复高斯下
%
\begin{equation}
\label{eq:J_pmin}
P_{\min}(\mathbf p,\mathbf p')
=Q\!\Big(\tfrac{1}{2}\sqrt{D^2(\mathbf p,\mathbf p')}\Big),
\qquad
D^2(\mathbf p,\mathbf p')
=\big\|\boldsymbol\mu(\mathbf p')-\boldsymbol\mu(\mathbf p)\big\|^2_{\mathbf R^{-1}}
=\sum_{\ell}\frac{1}{\sigma_\ell}\big\|\boldsymbol\mu_\ell(\mathbf p')-\boldsymbol\mu_\ell(\mathbf p)\big\|_2^2,
\end{equation}
%
即\emph{去相关度}(白化均值分离),跨星可加(与 C6 的信息可加同源)。两端行为清晰:
\begin{itemize}
\item \textbf{高信噪比}:对 $h\neq 0$ 有 $D^2$ 大、$P_{\min}$ 迅速衰减,\eqref{eq:J_zzb} 退回投影 \gls{crb};
\item \textbf{门限区 / 模糊}:若存在位移 $h^\star\mathbf c$ 使两位置的均值近乎不可分($\boldsymbol\mu(\mathbf p+h^\star\mathbf c)\approx\boldsymbol\mu(\mathbf p)$,即模糊方向),则该处 $D^2$ 不随信噪比增长、$P_{\min}\!\to\!\tfrac12$,填谷后在 \eqref{eq:J_zzb} 留下一个 $\sim (h^\star)^2$ 量级的\emph{地板},\gls{crb} 无法预测。
\end{itemize}
\paragraph{少用户的基本极限}
在含时间戳的位置模型里,最危险的模糊方向正是\appref{subsec:F6_tauDeltaConfound} 的``位置--时间戳同轴''方向:位移 $\Delta\mathbf p$ 配上一组星钟偏移 $\Delta\boldsymbol\delta$ 可使各星到达时间几乎不变。其去相关度按 \eqref{eq:J_pmin} 是\emph{对用户求和}的——每个用户在该方向贡献一份均值分离,而共享的 $\delta_\ell$ 须同时解释该星上\emph{所有}用户。于是用户数 $K$ 越大,混淆方向上的 $D^2$ 越大、$P_{\min}$ 越早衰减、ZZB 地板越低;反之当 $K$ 太小(典型 $K\le 3$),共享 $\delta_\ell$ 与位置的混淆\emph{欠定}(承\appref{subsec:F6_tauDeltaConfound}:单用户被吃光、双用户仅部分救回),$D^2$ 在该方向始终偏小、$P_{\min}\!\approx\!\tfrac12$,ZZB 地板不随信噪比下降——这是\emph{几何/可辨识层面的基本极限},非估计器之过,无论何种估计器都受其约束。多用户超定($K$ 足够大)把混淆方向的 $D^2$ 抬起,才使地板随信噪比下沉。
\medskip
至此界谱系闭环:\gls{crb}/\gls{efim}(局部、信息级)给可达精度的标尺,\gls{mcrb}(\appref{subsec:F5_mcrb})给忽略时间戳的失配代价,本附录的误指定 Barankin 与 Ziv--Zakai 界给门限以下的大误差与模糊地板。少用户下 ZZB 地板由未被超定的``位置--时间戳''模糊设定,刻画了用户数对可达定位精度的基本约束。