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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\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}
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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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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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详细 \gls{crb} 推导见附录~\ref{sec:det_doa_doppler_crb}。
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\subsection{信号模型}
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\label{subsec:single_arr_doa_doppler_est}
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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
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\begin{equation}
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\boldsymbol\nu
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\triangleq
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[\nu_1,\ldots,\nu_K]^\Tran.
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\end{equation}
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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
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\begin{equation}
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\mathbf q_k(\nu_k)
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\triangleq
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\begin{bmatrix}
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s_k(0)e^{j\nu_k\cdot0}, &
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s_k(1)e^{j\nu_k\cdot1}, &
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\cdots, &
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s_k(T-1)e^{j\nu_k(T-1)}
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\end{bmatrix}^\Tran
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\in\mathbb C^{T\times1}.
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\end{equation}
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所有快拍写成矩阵形式
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\begin{equation}
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\mathbf Y
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=
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\sum_{k=1}^{K}\zeta_k\mathbf a(\bm\theta_k)\mathbf q_k^\Tran(\nu_k)
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+
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\mathbf N.
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\end{equation}
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进一步定义第 $k$ 个信源的空时导向向量与整体空时字典
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\begin{equation}
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\mathbf b_{\mathrm{st},k}(\bm\theta_k,\nu_k)
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\triangleq
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\mathbf q_k(\nu_k)\otimes\mathbf a(\bm\theta_k)
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\in\mathbb C^{MT\times1},
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\qquad
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\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)
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\triangleq
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\left[
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\mathbf b_{\mathrm{st},1},\ldots,\mathbf b_{\mathrm{st},K}
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\right]
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\in\mathbb C^{MT\times K},
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\end{equation}
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并记复增益向量 $\boldsymbol\zeta=[\zeta_1,\ldots,\zeta_K]^\Tran$。则向量化观测模型为
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\begin{equation}
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\label{eq:vec_det_doa_doppler_recv_sig}
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\tilde{\mathbf y}
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\triangleq
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\vect(\mathbf Y)
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=
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\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)\boldsymbol\zeta
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|
+
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\tilde{\mathbf n},
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\qquad
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\tilde{\mathbf n}\triangleq\vect(\mathbf N)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma\mathbf I_{MT}).
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\end{equation}
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$\mathbf b_{\mathrm{st},k}$ 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。
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\subsection{对数似然}
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由于 $\tilde{\mathbf y}\sim\mathcal{CN}(\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta,\sigma\mathbf I_{MT})$,对数似然为
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\begin{equation}
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\label{eq:singlelog_likelihood}
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\ln\mathcal L(\sigma,\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta)
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=
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\mathrm{Const}
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-MT\ln\sigma
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-\frac{1}{\sigma}
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\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2.
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\end{equation}
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对应的 \gls{dml}/\gls{cml} 优化问题为
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\begin{equation}
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\label{eq:det_ml_doa_doppler_opt}
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\minimize_{\boldsymbol\zeta,\boldsymbol\nu,\bm\Theta,\sigma}
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\;\;
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MT\ln\sigma
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|
+
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\frac{1}{\sigma}\left\|\tilde{\mathbf y}-\mathbf B_{\mathrm{st}}\boldsymbol\zeta\right\|_2^2.
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\end{equation}
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\subsection{集中似然与联合 DoA--Doppler 准则}
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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
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\begin{equation}
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\label{eq:con_det_ml_doa_doppler_opt}
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\big(\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}},\widehat{\boldsymbol\nu}_{\mathrm{CDML}}\big)
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=
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\argmin_{\bm\Theta,\boldsymbol\nu}
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\tilde{\mathbf y}^\Herm
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\left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}(\bm\Theta,\boldsymbol\nu)}\right)
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\tilde{\mathbf y},
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\end{equation}
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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。
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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}。
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若 Doppler 本身不感兴趣、仅作为干扰参数,可先做 profile 处理:
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\begin{equation}
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\widehat{\bm\Theta}_{\mathrm{CDML}}
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=
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\argmin_{\bm\Theta}
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\min_{\boldsymbol\nu}
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\tilde{\mathbf y}^\Herm
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\left(\mathbf I_{MT}-\mathcal P_{\mathbf B_{\mathrm{st}}}\right)
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\tilde{\mathbf y}.
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\end{equation}
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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。
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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。
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