41-EFT.WP.Comms.Navigation v1.0 | 第9章 鲁棒性：NLOS/多径/遮挡检测与缓解

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第9章 鲁棒性：NLOS/多径/遮挡检测与缓解

I. 目标与适用域

• 给出 NLOS/多径/遮挡 的威胁模型—检测—缓解最小可用方案，覆盖通道 TOA/TDOA/AOA/FOA/RSS/CarrierPhase 与第7章动力学先验、因子图/滤波融合（第8章）的对接方式。
• 公式/符号/定义统一英文并用反引号；凡牵涉到达时，必须沿用既定 T_arr 口径并显式声明路径 gamma(ell) 与测度 d ell。

II. 问题建模与等效表述

• S90-1（等效偏置/方差模型）：对任一观测 y，在 NLOS/多径下写
  y = h(x) + b_NLOS + ε，其中 ε ~ 𝒟(0, Σ_y)，b_NLOS 可取零均值的随机变量或确定性偏置（基于环境/射线）。
• S90-2（混合似然）：鲁棒建模为
  p(y|x) = π_LOS 𝒩( h(x), Σ_LOS ) + (1−π_LOS) 𝒩( h(x)+μ_NLOS, Σ_NLOS )，π_LOS ∈ [0,1] 来自检测器。
• S90-3（遮挡与可见性）：几何遮挡由可见性函数 𝒱(r,anchor) ∈ {0,1} 或概率 p_vis ∈ [0,1] 描述；𝒱=0 时通道禁用或降权。
• S90-4（时变与漂移）：环境变更通过滑动窗口统计 stats_t 或漂移检测（CUSUM/ADWIN）更新阈值与参数。

III. 通道特征与检测器（特征—阈值/学习双轨）

• S90-5（TOA/TDOA 特征）：超时延 τ_ex = y_TOA − h_TOA(x̂)、RMS 延迟扩展 τ_rms、CIR 峰值比、τ_g − T_arr 偏差。
• S90-6（AOA 特征）：波束/空间谱主瓣宽度、峰间比、与几何预测 n̂(x̂) 的角差 Δθ,Δφ。
• S90-7（FOA 特征）：短窗频率方差、f_D 与 −(f_c/c_ref)(v_rel·n̂) 的残差、谱峰尖锐度。
• S90-8（RSS 特征）：Rician K 因子估计、对数域方差、快衰落相关长度与遮挡导致的均值坍塌。
• S90-9（CarrierPhase 特征）：相位跳变率、周跳检测（窄巷/双频综合）、残差周期性。
• S90-10（视觉/里程计遮挡）：跟踪点比例、重新投影误差分布尾部、光流一致性；轮速差与地面约束违背度。
• M9-1（特征提取—评分—标志）：输入各通道原始/中间量 → 计算特征矢量 ϕ → 生成 score ∈ [0,1] 与 NLOS_flag/occlusion_flag。

IV. 统计阈值与学习式判别

• S90-11（统计式）：马氏门限 d^2 = r^T S^{-1} r > τ 判为可疑；τ 按 χ^2_{k,α} 设定。
• S90-12（监督/半监督）：score = σ( w^T ϕ ) 或 g(ϕ)（GBDT/轻量深度模型）；半监督自训练以一致性与温启动避免域偏移。
• S90-13（校准与解释）：score 需经温度缩放/Platt 校准为概率；记录 AUC/ECE 与阈值 τ_score。
• M9-2（检测器训练/更新）：离线标注或弱监督 → 交叉验证 → 导出轻量权重与阈值；在线以漂移检测触发再校准。

V. 缓解策略（再加权、校正、重建、删失）

• S90-14（再加权/膨胀）：对可疑观测设 w = π_LOS，更新 Σ_y ← Σ_y / w + (1−w)Σ_NLOS；或使用动态协方差缩放（DCS）。
• S90-15（偏置校正）：基于射线追踪/地图 μ_NLOS = f(map,ray)；无地图时用数据驱动回归 μ̂_NLOS(ϕ)。
• S90-16（删失与软屏蔽）：当 w < τ_drop 或 𝒱=0，移除因子/观测；否则以鲁棒核 Huber/Cauchy/Tukey 降低影响。
• S90-17（路径重建）：对多径，尝试多峰分解（CIR/空间谱），在因子图中引入候选路径的离散假设（MHT/可切换约束）。
• M9-3（缓解管线）：detect → score → reweight/deflate → (correct bias) → robust-solve → audit。

VI. 多传感一致性与图层鲁棒

• S90-18（跨通道一致性）：FOA 与 TOA/几何的联合残差一致性检验；AOA 与遮挡地图交叉验证。
• S90-19（因子图鲁棒）：可切换约束（Switchable Constraints）、异方差建模（GNC/Geman-McClure）、Student-t 因子。
• S90-20（滤波鲁棒）：ES-EKF 的残差门控与迭代再加权；UKF 的伯努利/混合量测更新；PF 的假设权重重缩放。
• M9-4（图/滤波一体化鲁棒）：统一在 build_factors/update 处接入 score→weight→cov 的适配器。

VII. 时变环境自适应

• S90-21（漂移检测）：用 CUSUM/ADWIN 对 score/r 的分布漂移报警，触发阈值与模型刷新。
• S90-22（在线学习）：滑窗经验风险 + 正则，保持小步长与稳定性；保留人类可审计的规则回退路径。
• S90-23（场景标签）：在数据卡记录 scene_tag ∈ {indoor, urban, highway, forest, factory,...} 以选择配置集。

VIII. 数据契约（本章必备/推荐字段）

unit_system: "SI"

robust:

nlos_flag: "<bool>"

occlusion_flag: "<bool>"

score: "<0..1>" # calibrated LOS probability

features:

toa: {tau_ex: "<s>", tau_rms: "<s>", cir_peaks: "<list>"}

aoa: {beamwidth: "<rad>", peak_ratio: "<dB>", dtheta: "<rad>", dphi: "<rad>"}

foa: {var_f: "<Hz^2>", ridge_sharpness: "<unitless>"}

rss: {K_rician: "<dB>", logvar: "<dB^2>"}

cp: {cycle_slip_rate: "<1/s>", phase_jump: "<rad>"}

weights:

w_channel: {"TOA": "<0..1>", "TDOA": "<0..1>", "AOA": "<0..1>", "FOA": "<0..1>", "RSS": "<0..1>", "CP": "<0..1>"}

bias_correction:

model: "map-ray|learned|none"

mu_nlos: "<s|rad|Hz|dB>" # per channel units

arrival_time:

convention: "pulled_const|integrand"

delta_form: "c_ref^-1 * ∫ n_eff dℓ" # or "∫ (n_eff/c_ref) dℓ"

gamma: "piecewise: free|fixture|substrate|device|environment"

d_ell: "m"

covariance:

Σ_y: "<block-diagonal or sparse>" # after robust deflation

logging:

auc: "<0..1>", ece: "<0..1>", drift_alarms: "<count>"

references:

- "EFT.WP.Comms.Navigation v1.0:Ch.3 S30-*"

- "EFT.WP.Comms.Navigation v1.0:Ch.4 S40-*"

- "EFT.WP.Comms.Navigation v1.0:Ch.5 S50-*"

- "EFT.WP.Comms.Navigation v1.0:Ch.8 S80-*"

IX. 实现绑定（接口原型）

• I9-1 extract_robust_features(raw, meta) -> {ϕ, stats}
• I9-2 score_nlos(ϕ, model) -> {score, nlos_flag, ci}
• I9-3 robust_reweight(y, score, cfg) -> {w, Σ_y_updated}
• I9-4 correct_bias(y, map_or_net) -> {y_corr, μ̂_NLOS}
• I9-5 switchable_factor(y, score, cfg) -> {factor, switch_var}
• I9-6 drift_monitor(scores, residuals) -> {alarms, new_thresholds}

X. 质量门（本章适用）

• Q1 口径一致：所有涉及 T_arr 的通道在数据卡中同时包含 convention/delta_form/gamma(ell)/d_ell。
• Q2 单位/量纲：s/rad/Hz/dB 等 SI/工程单位齐全；全部表达式通过 check_dim。
• Q3 协方差一致性：再加权与膨胀后 Σ_y 的通道块同步更新；屏蔽/删失须反映到因子图/滤波器结构。
• Q4 检测器可审计：输出 AUC/ECE/阈值/漂移报警；score 经校准并与实际误检/漏检一致。
• Q5 稳健求解：鲁棒核与可切换约束的开关变量稳定收敛；避免产生病态先验或破坏稀疏结构。

XI. 跨卷引用与本章锚点

1. 跨卷引用（固定写法）：见本卷第3章（路径/到达时/频移）、第4章（观测模型）、第5章（几何与 DOP）、第7章（动力学）、第8章（融合估计）。
2. 本章锚点：
   • 最小方程：S90-1—S90-23
   • 流程：M9-1—M9-4
   • 接口：I9-1—I9-6

XII. 小结
本章以等效偏置/方差与混合似然统一刻画 NLOS/多径/遮挡，给出特征—检测—再加权—校正—鲁棒求解的可执行闭环，并将分数/标志与协方差更新写入数据契约与实现接口，保证与几何/同步/动力学/融合估计的顺畅耦合与可审计性。