考虑无源定位中的数学模型,其中待定位目标的真实位置向量为u(可包含目标位置和速度等参数),假设通过某些观测方式可以获得关于目标位置向量的空域、时域、频域或能量域观测量(如第1章所描述的各类定位观测量),则可以建立如下统一的(非线性)代数观测模型:
式中
z∈R p×1 表示实际中获得的定位观测向量;
u∈R q×1 (q≤p)表示待估计的目标位置向量(q≤p是为了保证问题的可解性);
w∈R r×1 表示观测方程中的系统参量,在本书中主要是指观测站的位置和速度等参数;
z 0 =g(u,w)表示没有误差条件下(即理想条件下)的观测向量,其中g(⋅,⋅)泛指连续可导的非线性观测函数,它同时是关于目标位置向量u和系统参量w的函数,由于这里并不限制特定的定位观测量,所以可用统一的函数形式来表征;
n∈R p×1 表示观测误差,这里假设它服从零均值的高斯分布,并且其方差矩阵等于Q 1 =E[nn T ]。
下一小节将基于式(3.1)推导相应的参数估计方差的克拉美罗界。
这里将在系统参量w精确已知的条件下,推导未知参量u的估计方差的克拉美罗界,结果可见下述命题。
命题3.1: 基于式(3.1)中的观测模型,未知参量u的估计方差的克拉美罗界矩阵可以表示为
式中, 表示函数g(u,w)关于向量u的Jacobi矩阵,它是列满秩矩阵。
证明: 根据式(3.1)中的观测模型及其误差的统计假设可知,对于特定的参数u,观测向量z的最大似然函数可以表示为
对式(3.3)两边取对数可得对数似然函数为
于是对数似然函数ln(f (a) (z|u))关于向量u的梯度向量可以表示为
根据第2章的命题2.23可知,关于未知参量u的费希尔信息矩阵可以表示为
由于G 1 (u,w)是列满秩矩阵,根据第2章的命题2.13可知FISH (a) (u)是正定矩阵,更是可逆矩阵,于是未知参量u的估计方差的克拉美罗界矩阵为
命题3.1得证。