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\section{问题四:混合源的前向半盘覆盖与联合信念}
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\subsection{定向观测模型与无信号歧义}
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在问题三中,"无信号"只有一种解释:源太远。
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一旦引入定向源,这唯一的解释就被打破——源可能只是背对着检测点。
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因此本问的关键在于为无信号保留第二种解释。
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设定向源位于 $g$,朝向为 $\psi$。在检测点 $q$ 可见的充要条件为
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\begin{equation}
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\norm{q-g}\le r_{\mathrm{eff}},\qquad
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@@ -9,9 +12,12 @@
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边界属于可见半平面。可见且距离不超过 $5$ m 时返回 $\near$,
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否则返回 $\direction$;任何一个条件失败均为 $\sgnless$。
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问题二的可行区域满足距离约束,定向接收还需满足前向半平面约束。
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对于已发现频道,位于该区域内的负观测反映朝向遮挡;
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区域外的负观测则同时包含距离与朝向两种解释。
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对于已发现频道,位于该区域内的负观测反映朝向遮挡,
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因此不应被当作距离证据;区域外的负观测则同时包含距离与朝向两种解释。
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这一区分直接决定了后续信念表示的形式。
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朝向约束也改变了覆盖的要求。问题三的七点计划只保证"至少一站距离足够近";
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对定向源还要求该站位于源的前向半平面内,因此需要重新设计站点集。
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向外发射的边界源需要在圆域外布置接收站点。
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适用于混合源的站点集合 $S$ 应满足
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\begin{equation}
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@@ -20,13 +26,17 @@
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\norm{s-g}\le1000,\quad (s-g)\cdot u(\psi)\ge0.
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\label{eq:halfcover}
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\end{equation}
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这是一项针对“位置、朝向”二元状态的全覆盖要求。
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这是一项针对"位置、朝向"二元状态的全覆盖要求,而不是对位置的单变量覆盖。
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问题三的七点计划不满足式~\eqref{eq:halfcover};当前测试程序改用 $31$ 点最小命中集与(位置×朝向)联合幸存集,定位停滞时以有限格后备清除兜底。
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问题三的七点计划不满足式~\eqref{eq:halfcover};当前测试程序改用 $31$ 点最小命中集与(位置×朝向)联合幸存集,
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定位停滞时以有限格后备清除兜底。
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\subsection{方格点集的连续覆盖性}
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在设计具体站点之前,先考虑一个容易证明的结构:方格点集。
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取 $S_{49}=\{(700i,700j):i,j=-3,\ldots,3\}$。
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其网格方域包含 $\Omega$,每个源落在某个边长为 $700$ m 的闭方格内。
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方格四角恰好同时满足距离与朝向两项要求。
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\begin{proposition}[方格四角的定向覆盖]
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$S_{49}$ 满足式~\eqref{eq:halfcover},对全向与任意朝向的定向源均保证发现。
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\end{proposition}
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@@ -40,10 +50,14 @@ $\sum_i\lambda_i(v_i-g)\cdot u=0$,
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故不可能四个角均满足 $(v_i-g)\cdot u<0$;
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至少一角处于前向闭半平面,且同时满足距离条件。
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\end{proof}
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四角的距离上界与凸组合性质共同保证连续覆盖。
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该方案具有显式站点坐标和覆盖距离上界。
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证明的关键是凸组合性质:四个方向的投影不可能同时为负。
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该方案具有显式站点坐标和覆盖距离上界。不过在同样覆盖 $\Omega$ 的前提下,
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网格方案的站点数并不经济,因此实际选点仍需借助集合覆盖模型。
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\subsection{前向半盘最小命中集的31点方案}
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把"每个位置与朝向组合至少被一个站点覆盖"写成整数规划,
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就可以用远比网格稀疏的站点集完成同样的任务。
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当前 \texttt{directional} 实现采用 \texttt{q4\_mincover\_v2} 计划。
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在候选站点 $s_j$ 和离散目标状态 $(g_i,\psi_i)$ 上定义关联矩阵
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\begin{equation}
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@@ -52,7 +66,8 @@ A_{ij}=\mathbf1\{
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\ (s_j-g_i)\cdot u(\psi_i)\ge
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\norm{s_j-g_i}\sin\gamma_{\mathrm{design}}\}.
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\end{equation}
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站点筛选可写为集合覆盖模型
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其中角度余量 $\gamma_{\mathrm{design}}$ 把"恰好落在可见边界"的情形排除在外,
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使站点对朝向扰动保持稳健。站点筛选可写为集合覆盖模型
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\begin{equation}
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\min\sum_j z_j,\qquad
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\sum_jA_{ij}z_j\ge1\ \ (\forall i),\qquad z_j\in\{0,1\}.
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@@ -66,9 +81,15 @@ A_{ij}=\mathbf1\{
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\begin{figure}[htbp]
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\centering
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\includegraphics[width=0.70\linewidth]{geo-q4-minimum-cover-31-points.png}
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\caption{31 点最小命中集的几何分布(左)与定向源的前向半盘语义(右)。
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站点取自计划文件,部分站点位于 $\Omega$ 之外,用于接收向外发射的边界源;
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\includegraphics[width=0.72\linewidth]{geo-q4-minimum-cover-31-points.png}
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\caption{31 点最小命中集的几何分布与定向源的读图约定。
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实心圆点为圆域内检测站($15$ 个),空心圆点为圆域外的检测站($16$ 个),
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后者用于接收向外发射的边界源;
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浅色扇形区域为源位置圆域 $\Omega$。
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图中左侧以一个圆外检测站为例说明定向源的观测读法:
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绿箭头是该源的发射朝向、浅绿细线扇形是它的 $\pm90^\circ$ 可见范围、
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红色虚线是检测站在该点测得的示向度,三者共同说明
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"有朝向遮挡时同一位置也可能测不到信号"。
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离散校验不等同于连续覆盖证明。}
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\label{fig:q4plan}
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\end{figure}
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@@ -87,6 +108,8 @@ d+\varepsilon\le1000,\qquad
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对 $49$ 点方案采用上述连续覆盖定理;连续近似误差的控制将在未来工作中讨论。
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\subsection{位置与朝向联合候选的保守更新}
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站点解决"能否发现",而要完成清除还必须知道源在哪里、朝向如何。
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这正是问题三的候选集表示不足以处理的部分:位置可行并不代表朝向可行。
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对定向假设,在每个候选位置网格的中心 $z$ 附加 $H=24$ 个朝向档,
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档宽为 $15^\circ$。令 $M_z$ 为仍可能的朝向掩码。
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方向与近距离观测先更新位置约束,再保留可能覆盖检测点的朝向;
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@@ -108,11 +131,11 @@ d_\circ(\psi_k,\beta)>90^\circ-\Delta_\psi-\eta_\psi-\alpha_z.
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第二行保留含有不可见方向的朝向区间,排除整个区间均可见的候选。
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若格心距测点过近,格内方位可覆盖整个圆周,此时保留全部朝向。
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在定向假设下,上述更新保持真源所在位置与朝向网格的可行性。
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混合类型的集合估计扩展见第~\ref{sec:future}~节。
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\subsection{可见性筛选与探点选择}
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联合候选的用途首先是排序探点。对候选 $q$,
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以均匀接收半径假设给出距离权重
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联合候选的第一个用途是给候选测点排序。
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在混合场景中,一个测点是否值得去,取决于那里的候选源有多大可能正对着它。
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对候选 $q$,以均匀接收半径假设给出距离权重
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\begin{equation}
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w_r(d)=
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\begin{cases}
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@@ -129,7 +152,7 @@ w_r(\norm{z-q})\,\frac{b_z(q)}{24}.
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\label{eq:visibility-score}
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\end{equation}
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分母 $24$ 为初始朝向档数,$b_z(q)$ 由保留朝向集合与预计算可见角区间的交集确定。
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该权重用于衡量各候选点的相对检测价值。
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该权重用于衡量各候选点的相对检测价值,可直接避免"跑过去却因遮挡而无信号"的空跑。
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候选族包括算法2给出的基础点、关于候选圆心的对跖点,以及
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$0.5\rho,\rho,1.5\rho$ 半径上的八方向环点。
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@@ -146,6 +169,9 @@ $0.5\rho,\rho,1.5\rho$ 半径上的八方向环点。
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持续遮挡时转入基于距离约束的网格遍历清除。
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\subsection{网格遍历清除与计算预算}
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遮挡可能使定位长期无法收缩,此时需要一条不依赖朝向信息的兜底路径。
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注意到清除是否成功只与距离有关,与源朝向无关,
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因此可以放弃"先定位再清除"的顺序,改为逐格试探。
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当一轮有效定位测量达到 $8$ 次,或连续遮挡探点达到 $4$ 次且候选区域仍较大,
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对保守凸候选多边形建立边长 $20$ m 的方格覆盖。
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保留所有与多边形相交的格子,并以格心作为清除点。
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@@ -158,6 +184,7 @@ $0.5\rho,\rho,1.5\rho$ 半径上的八方向环点。
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逐格清除必有一次到达其 $20$ m 内。
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按最近邻顺序访问,首次成功即停止该频道的网格遍历。
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兜底方案必须受预算约束,否则会挤占其他频道的处理时间。
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若外包框宽、高为 $w,h$,保守格数上界为
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\begin{equation}
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B_{\mathrm{cell}}=
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@@ -194,8 +221,9 @@ $N_{\mathrm{cell}}\,t_{\mathrm{RTT},95}+t_{\mathrm{reserve}}$。
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\State 主动退出时报告清除数与停止依据
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\end{algorithmic}
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\end{algorithm}
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问题四使用“本站批量扫频、最近候选圆心服务”的调度骨架,
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并未直接复用问题三的统一信息增益任务表。
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若要求严格的混合源全清证据,除采用连续覆盖计划外,
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还须补全类型联合表示或限制联合集排空的适用范围,并确保全部定位清除任务完成。
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本文区分当前实现、可证明条件与尚需完善之处,不把后者追溯为正式测试时已执行的功能。
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综上,问题四得到三点结论:1. 定向源使无信号具有距离与朝向两种解释,
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候选集必须由位置扩展为位置与朝向的联合表示;2. 发现条件须由位置圆盘覆盖
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提升为前向半盘覆盖,$31$ 点最小命中集以远少于网格的站点数完成该任务;
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3. 清除与朝向无关这一物理性质可用于构造有界预算的兜底清除,
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使遮挡不再导致任务无法完成。
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