josh
7b44527d8a
AoA 此前在 sec7、附录 H 以裸短形式出现，补 \newacronym{aoa}
（Angle-of-Arrival，连字符式与 doa 保持一致）后改用 \gls{aoa}；
sec4 一处裸 CRB 一并改 \gls{crb}，落实“已定义缩写用 \gls”约定。
110 lines
9.5 KiB
TeX
110 lines
9.5 KiB
TeX
\section{从全局方向到用户三维位置估计\texorpdfstring{~\cite{liFastAccurateLEO2022}}{}}
|
||
\label{sec:userPositioning}
|
||
|
||
前六节的主估计目标始终是全局方向 $\boldsymbol\xi$（外加参考星 Doppler）。但 $\boldsymbol\xi$ 只有两个自由度，描述的是``用户在哪个方向''，而多星协作定位真正要回答的是``用户在哪个点''——三维位置 $\mathbf p$。
|
||
本节沿一个新维度推进——\emph{输出参数化}（从方向到位置的几何反演）——把主参数从 $\boldsymbol\xi$ 换成 $\mathbf p$，其余维度保持最简：单观测块、单用户作为基线、已知导频、各星完全相干，不叠加第~\ref{sec:multiSatMultiUser}、\ref{sec:timestampError}、\ref{sec:dynamicDoaDopplerEst} 节的多用户/时间戳/多帧扩展。
|
||
关键观察是：第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节的全局方向模型，正是位置模型在\emph{远场极限}下的退化——各星共享同一方向 $\mathbf u(\boldsymbol\xi)$；一旦用户与星座的距离有限，各星看到的视线方向不再相同，这一\emph{视差}差异连同差分 Doppler，正是把方向（2 维）补足为位置（3 维）的信息来源。这类``以位置为主参数、由原始观测直接估计''的方法即直接定位（Direct Position Determination，DPD）\cite{liFastAccurateLEO2022,haoInterferenceGeolocationSatellite2021}。
|
||
详细位置 \gls{crb} 推导见\appref{sec:userPositionCrb}。
|
||
|
||
\subsection{位置参数化与逐星视线映射}
|
||
\label{subsec:positionLosMap}
|
||
|
||
设用户在参考时刻的三维位置为 $\mathbf p\in\mathbb R^3$（\gls{eci} 坐标系），在单观测块内视为常量（与第~\ref{subsec:staticBlockModel} 小节``\gls{doa} 块内不变''同级的假设；用户运动的 Doppler 效应仍按既有模型折叠进 $\nu_{\mathrm{ref}}$，不升格为显式速度参数）。
|
||
第 $\ell$ 颗卫星（参考时刻位置 $\mathbf s_\ell$，沿用第~\ref{subsec:globalLocalDoaMap} 小节）到用户的视线向量与单位视线方向为
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\mathbf r_\ell(\mathbf p)\triangleq\mathbf p-\mathbf s_\ell,
|
||
\qquad
|
||
\mathbf u_\ell(\mathbf p)=\frac{\mathbf r_\ell(\mathbf p)}{\|\mathbf r_\ell(\mathbf p)\|_2}\in\mathbb R^3.
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
与第~\ref{subsec:globalLocalDoaMap} 小节的关键区别是：这里的 $\mathbf u_\ell(\mathbf p)$ \emph{逐星不同}，而不再是同一个全局方向 $\mathbf u(\boldsymbol\xi)$。沿用同一组本地坐标基与旋转矩阵 $\boldsymbol\Omega_\ell$，本地来向与本地角度为
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\mathbf u_\ell^{\mathrm{loc}}(\mathbf p)=\boldsymbol\Omega_\ell^\Tran\mathbf u_\ell(\mathbf p),
|
||
\qquad
|
||
\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}
|
||
%
|
||
并据此代入与第~\ref{subsec:single_arr_array_model} 小节完全相同的 \gls{ula}/\gls{upa} 阵列导向模板，得到本地导向矢量
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\mathbf a_\ell(\mathbf p)\triangleq\mathbf a_\ell\big(\alpha_\ell^{\mathrm{loc}}(\mathbf p),\beta_\ell^{\mathrm{loc}}(\mathbf p)\big)\in\mathbb C^{M_\ell\times1}.
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
也即\emph{每阵列内部仍是平面波模型，阵列导向 $\mathbf a_\ell$ 的形式一字不改}；变的只是``本地角由 $\mathbf p$ 而非 $\boldsymbol\xi$ 诱导''。
|
||
|
||
\begin{mdquote}
|
||
\textbf{远场退化。} 固定全局方向 $\mathbf u_0$，令 $\mathbf p=\mathbf s_{\ell_{\mathrm{ref}}}+R\,\mathbf u_0$ 并取 $R\to\infty$，则对所有 $\ell$ 有 $\mathbf u_\ell(\mathbf p)\to\mathbf u_0$，逐星视线趋于共向，第~\ref{sec:userPositioning} 节模型退化为第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节的全局方向模型。反之，有限距离下 $\mathbf u_\ell(\mathbf p)\neq\mathbf u_{\ell'}(\mathbf p)$ 的视差是距离维的角度信息来源。
|
||
\end{mdquote}
|
||
|
||
\subsection{链路 Doppler 的位置诱导}
|
||
|
||
沿用第~\ref{subsec:refSatParameterization} 小节的参考星参数化，各链路归一化 Doppler 仍写为
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\nu_\ell(\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}})=\nu_{\mathrm{ref}}+\Delta\nu_\ell(\mathbf p),
|
||
\qquad \Delta\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}(\mathbf p)\equiv0.
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
与第~\ref{subsec:staticBlockModel} 小节由方向 $\boldsymbol\xi$ 诱导不同，几何差分现在由\emph{用户位置}与已知星历诱导。每条链路的几何归一化 Doppler 正比于卫星沿视线的径向速度 $\mathbf u_\ell(\mathbf p)^\Tran\mathbf v_\ell$，取其相对参考链路之差，得
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\label{eq:sec7_dnu_pos}
|
||
\Delta\nu_\ell(\mathbf p)
|
||
=\frac{2\pi T_{\mathrm s}}{\lambda_{\mathrm c}}
|
||
\big[\mathbf u_\ell(\mathbf p)^\Tran\mathbf v_\ell-\mathbf u_{\ell_{\mathrm{ref}}}(\mathbf p)^\Tran\mathbf v_{\ell_{\mathrm{ref}}}\big],
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
其中整体符号取决于上行/去向约定，不影响 \gls{crb}（Fisher 信息对此不变）。关键是 $\mathbf u_\ell(\mathbf p)$ 经 $\mathbf p-\mathbf s_\ell$ 依赖\emph{完整位置}（含距离），故 $\Delta\nu_\ell$ 不只约束方向、也约束距离。
|
||
参考链路总 Doppler $\nu_{\mathrm{ref}}$ 仍作自由标量，继续吸收参考链路绝对 range-rate 与用户载频/钟偏；与既有模型一致，用户自身运动只通过 $\nu_{\mathrm{ref}}$（多帧情形再加 $\dot\nu_{\mathrm{ref}}$）进入，其对差分 Doppler 的残余贡献按静态块近似忽略。由此绝对 Doppler 不进入几何，几何只通过差分 $\Delta\nu_\ell(\mathbf p)$ 约束 $\mathbf p$。
|
||
|
||
\subsection{信号模型、主参数与集中似然}
|
||
|
||
第 $\ell$ 颗卫星接收向量与第~\ref{subsec:staticBlockModel} 小节同构，仅将 $\boldsymbol\xi$ 替换为 $\mathbf p$：
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\mathbf y_\ell(t)=\zeta_\ell\,\mathbf a_\ell(\mathbf p)\,s(t)\,e^{j\nu_\ell(\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}})t}+\mathbf n_\ell(t),
|
||
\qquad \mathbf n_\ell(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf0,\sigma_\ell\mathbf I_{M_\ell}).
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
时间模板 $\mathbf q_\ell(\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}})$ 与空时模板 $\mathbf g_\ell=\mathbf q_\ell\otimes\mathbf a_\ell$ 按相同方式定义。主参数为
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\boldsymbol\eta_{\mathrm{pos}}
|
||
=\begin{bmatrix}\mathbf p\\\nu_{\mathrm{ref}}\end{bmatrix}\in\mathbb R^4,
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
干扰参数仍为各星复增益与噪声方差 $\{\zeta_\ell,\sigma_\ell\}$。由于似然以及对 $\zeta_\ell$、$\sigma_\ell$ 的闭式消元与第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节逐字平行（只是 $\mathbf g_\ell$ 现在依赖 $\mathbf p$），集中似然准则直接写为
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{pos}}
|
||
=\argmin_{\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}}}
|
||
\sum_{\ell=0}^{L-1}M_\ell T\log\mathcal E_\ell(\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}}),
|
||
\qquad
|
||
\mathcal E_\ell\triangleq\|\tilde{\mathbf y}_\ell\|_2^2-\frac{\big|\mathbf g_\ell^\Herm\tilde{\mathbf y}_\ell\big|^2}{\|\mathbf g_\ell\|_2^2}.
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
形式与第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节的集中似然完全一致，仍是``在统一的 $(\mathbf p,\nu_{\mathrm{ref}})$ 下，对各星空时匹配输出按几何与噪声水平加权融合''，只是匹配模板 $\mathbf g_\ell$ 由位置参数化。
|
||
|
||
\subsection{可辨识性与几何精度}
|
||
\label{subsec:positionIdentifiability}
|
||
|
||
位置三维可辨识性来自两条互补信息：（i）跨星 \gls{aoa} 视差——位置沿某颗星视线方向的平移不改变该星本地角，却改变其他星的本地角；（ii）差分 Doppler $\Delta\nu_\ell(\mathbf p)$ 对距离的依赖。二者都要求 $L\ge2$ 且几何充分：单星时各采样仅约束单一方向、距离不可辨识，正好落回第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节的纯方向情形。
|
||
量化上，沿用消去干扰参数后的 \gls{efim} 投影--Gram 结构（见\appref{sec:userPositionCrb}），$\boldsymbol\eta_{\mathrm{pos}}$ 的 \gls{efim} 的最弱本征方向通常对应\emph{距离}维，其条件数（几何精度因子，GDOP）由星座基线/视差角与各链路信噪比共同决定。两星或少数多星时，横向位置因视差好而精度高、距离维因视差角小而恶化，是该模型最典型的几何各向异性\cite{weiIntegratedDopplerPositioning2024,xvJointBeamScheduling2024}。这与第~\ref{subsec:multiSatGainFdIdentifiability} 小节用同一套投影--Gram/条件数语言刻画的多星 Doppler 增益是同源的。
|
||
|
||
\subsection{多用户堆叠}
|
||
|
||
推广到 $K$ 个单天线用户，只需把每个用户的位置与参考 Doppler 独立堆叠：
|
||
%
|
||
\begin{equation}
|
||
\boldsymbol\eta_{\mathrm{mu\text{-}pos}}
|
||
=[\mathbf p_1^\Tran,\nu_{\mathrm{ref},1},\ldots,\mathbf p_K^\Tran,\nu_{\mathrm{ref},K}]^\Tran\in\mathbb R^{4K}.
|
||
\end{equation}
|
||
%
|
||
第 $\ell$ 颗卫星对第 $k$ 个用户的空时模板 $\mathbf g_{\ell,k}=\mathbf q_{\ell,k}\otimes\mathbf a_\ell(\mathbf p_k)$、集中似然对各星 $\mathbf G_\ell=[\mathbf g_{\ell,1},\ldots,\mathbf g_{\ell,K}]$ 列空间的投影、以及用户分离可辨识性，全部与第~\ref{sec:multiSatMultiUser} 节及\appref{subsec:E2_multiUserMultiSatCrb} 逐字平行，只把 $\boldsymbol\xi_k$ 换成 $\mathbf p_k$。
|
||
|
||
本节完成了从全局方向到用户三维位置的输出参数化：阵列信号模型、参考星 Doppler、集中似然与 \gls{efim} 框架全部继承自多星静态主线，唯一变动的是``位置经逐星视线映射诱导各星本地角与差分 Doppler''这一几何层；全局方向模型为其远场极限。这正是多星阵列对多用户单天线定位所需的模型接口；时间戳误差与多帧连续相位扩展可正交叠加于此。
|