一篇文章搞定克拉美罗界(CRB)

news2024/9/25 21:25:08

起因:

二郎最近在研究LBL(长基线)定位,大部分论文都提到了文中算法获得的方差接近CRB,所以自己的算法性能较好。于是二郎就想知道克拉美罗界是什么意思,以及能应用的场景。

经过:

1)查文档:
克拉美罗界:为无偏估计量的方差确定一个下界,衡量无偏估计的性能。
无偏估计:估计方法获得结果的平均值和真实值的差为0,这里通俗一点讲是,我用一种方法,获得一个结果,这个结果是在真实结果的附近波动,并且结果的平均误差为0(高斯、0均值扰动)。
方差:统计学的定理,描述了一组数据中单个数据与数据的平均值之间的差异,用于反应数据的波动程度(这里说方差其实有两个对象:1)计算/测量结果:方差可以说明计算/测量是否稳定,在输入存在波动时,输出是否还能稳定;2)数据:这里仅仅表示了数据的波动情况,没有什么实质的含义)
下界:方差的下界一般认为是能达到的最好结果,即,我有一组带有方差的输入,获得输出,那么输出结果的波动程度是不会小于这个下界的,也就是说我结果越接近这个下界,我算法的性能越好。
无偏估计的性能:包括准确性(偏差)和稳定性(方差)

2)存在问题:
查文档后,二郎对CRB有了一个初步了解,这里存在疑惑
①输入数据的方差怎么获得?
②CRB只需要知道我输入数据的方差,就能得到整个定位算法的CRB么?完全不需要管我如何使用的这些数据?以及这些数据和最终结果的关系?

①很多人以及很多方程都会讲,使用方差,但是他们并没有说方差怎么来的
二郎推断,方差可以这么来:实测和理论
实测:一个数据是由一个或多个设备获得的,利用设备测量大量的数据,可以获得设备测量的方差,如果有真实值,还可以判断是否是无偏。实测获得方差后,就可以拿回实验室,去用CRB计算我们的下边界了。
理论:学术上或者工程上,有很多人分享了,不同测量设备获得的数据的方差在哪个范围,在研究中,我们可以直接拿来用,认为数据是存在这样的方差。

②CRB和估计方法无关(也就是我们如何利用数据,计算结果的公式),只是通过已有数据,获得最好的估计结果。
先学习两个名词
似然函数:对于给定的观测数据,似然函数表示在不同参数值的条件下,观测数据的概率密度或概率质量。(也就是说,似然函数就是一个函数,这个函数能反应数据的统计规律。函数使用不同参数,反应的统计规律不同。要想找到最能反应当前一组数据的统计规律的参数,就要用到最大似然估计方法)(高斯分布/正太分布就是似然函数的一种,求里面的参数:均值和方差,就是最大似然估计解决的问题)
在这里插入图片描述
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这里为啥要提似然函数?
因为CRB研究的是方差的下界,而似然函数是描述误差分布的函数,方差越小,正太分布(一种常用的似然函数)的峰值越高,表示得到估计结果的精度越高,而这个精度的下边界,就是CRB要求解的问题。
似然函数会涉及到函数之间的相乘,为了方便,把乘法变成加法(这里用的最多的是声学,用了dB,分贝,把所有的乘法都变成了加法,把所有的除法都变成了减法,以至于,很多人说,看不懂)
对数似然函数:求似然函数的对数,也就是加一个lg或者ln,很简单,不用想太复杂,只是一个表现形式的差异性质不变。似然函数取极值的地方,对数似然函数同样是取极值。
函数一阶导:斜率,变化速率。横轴取x时,导数等于0,表示函数在x点取极值。
函数二阶导:曲率,弯曲程度。二阶导为0,表示凹凸发生了变化,表示该点为极值点或者拐点。

对于以x为变量的高斯函数而言,其拐点在x=μ(均值);
对对数似然函数进行求导
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发现函数的二阶导是个固定值,只和σ有关,二阶导绝对值越大,证明曲率越大,越陡峭。二阶导值小于0表示函数的曲线向上突,为了能把二阶导越大对应到越陡峭,因此需要负的二阶导数。
这样就可以说,似然函数(高斯函数)的负的二阶导数越大,函数越陡峭,利用符合这样分布的一组数据估计出的结果越准确。

似然函数的负的二阶导的导数,就是RCB
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3)多数据组合的CRB:
上面我们也会发现,我们求解CRB只用了一组数据
如果我们估计最终结果,需要多个数据,如果这几个数据独立,那么最终结果是所有方差的累加。
得到一个结果需要多个输入数据
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这里有一个误区,这里其实不是简单的数据的方差相加,而是数据的方差乘以对应的系数平方,然后相加
例如,上面是对一个数据的多次测量,取平均
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因此最终结果的方差为σ²/n
那么,对应的CRB为σ²/n

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上面给出了期望,其实就是组成最终结果的每个变量对应的系数,例如,求平均,每个变量对那个的系数就是1/n
,乘以系数再相加

CRB是Fisher信息的倒数→CRB是Fisher信息的倒数→CRB是Fisher信息的倒数

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