一种高阶费歇耳信息矩阵分布式求逆方法

郭鹏,崔祜涛,张泽旭,徐田来

(哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001)



摘要:

为获得多智能体系统任意耦合型无向网络导航克拉美-罗下界的显示表达式,简化高阶费歇耳信息矩阵求逆过程,提出了一种分布式求逆方法,即矩阵分块对角化求逆方法。首先,针对任意耦合型无向网络导航定位模型,构造了高阶费歇耳信息矩阵,并结合其对称特点及矩阵元素与网络拓扑间的对应关系,将其分解为两个分块对角矩阵的线性组合,它们分别包含所有节点和边的费歇耳信息量。其次,通过两次运用矩阵求逆引理,推导了费歇耳信息矩阵的逆即克拉美-罗下界以及网络节点等价费歇耳信息矩阵的显式表达式；同时引入了迭代过程,将整个求逆过程完全分解为若干个低阶矩阵间的运算,以减小单步运算量。最后,通过数值试验对该算法进行了验证,并与矩阵分块迭代求逆法进行了对比分析。结果表明,两者均具有较高的计算效率和精度,但本算法运算量更小,计算速度更快,从而验证了算法的准确性和有效性。该算法可用于分析任意耦合型无向网络导航定位模型中各节点或边费歇耳信息的融合过程。

关键词:  多智能体系统  网络导航  信息耦合  费歇耳信息矩阵  分布式算法

DOI：10.11918/202104073

分类号:V249

文献标识码:A

基金项目:国家自然科学基金联合基金重点项目(U20B2001)



A distributed inversion method for higher-order Fisher information matrices

GUO Peng,CUI Hutao,ZHANG Zexu,XU Tianlai

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract:

To obtain the explicit expression of Cramér-Rao lower bound (CRLB) and simplify the inversion process of higher-order Fisher information matrices (FIM) for undirected network navigation of multi-agent systems (MAS) with arbitrary information coupling, we proposed a distributed inversion method named block diagonalization method. Firstly, a high-order FIM was constructed for the arbitrary coupling undirected network navigation and positioning model, and then on the basis of its symmetry characteristics and the relationship between submatrices and network topology, the FIM was expressed as a linear combination of two block diagonal matrices, which contained the Fisher information of all nodes and edges respectively. Secondly, the matrix inversion lemma was used twice to derive the explicit expression of the inverse of FIM, i.e. CRLB and the equivalent FIM for network nodes. An iterative process was also introduced to decompose the whole inversion process into computations between several lower-order matrices, so as to mitigate the computational burden at every step. Finally, the proposed algorithm was verified by numerical experiments, and compared with the matrix block iterative inversion method. Results show that both methods had high computational efficiency and accuracy, but the computational burden of the proposed method was lower and the computational speed was faster, which verifies its accuracy and effectiveness. This algorithm can be used to analyze the Fisher information fusion process for every node or edge in arbitrary coupling undirected network navigation and positioning model.

Key words:  multi-agent system  network navigation  information coupling  Fisher information matrix  distributed method


郭鹏, 崔祜涛, 张泽旭, 徐田来. 一种高阶费歇耳信息矩阵分布式求逆方法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2023, 55(4): 1-7. DOI: 10.11918/202104073.
GUO Peng, CUI Hutao, ZHANG Zexu, XU Tianlai. A distributed inversion method for higher-order Fisher information matrices[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2023, 55(4): 1-7. DOI: 10.11918/202104073.
基金项目 国家自然科学基金联合基金重点项目(U20B2001) 作者简介 郭鹏(1990—)，男，博士，讲师;
崔祜涛(1970—)，男，教授，博士生导师;
张泽旭(1971—)，男，教授，博士生导师 通信作者 崔祜涛，cuiht@hit.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2021-04-16



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一种高阶费歇耳信息矩阵分布式求逆方法
郭鹏, 崔祜涛, 张泽旭, 徐田来     
哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001

收稿日期: 2021-04-16; 接受日期: 2021-11-18; 网络出版日期: 2022-09-22
基金项目: 国家自然科学基金联合基金重点项目(U20B2001)
作者简介: 郭鹏(1990—)，男，博士，讲师; 崔祜涛(1970—)，男，教授，博士生导师; 张泽旭(1971—)，男，教授，博士生导师
通信作者: 崔祜涛，cuiht@hit.edu.cn


摘要: 为获得多智能体系统任意耦合型无向网络导航克拉美-罗下界的显示表达式，简化高阶费歇耳信息矩阵求逆过程，提出了一种分布式求逆方法，即矩阵分块对角化求逆方法。首先，针对任意耦合型无向网络导航定位模型，构造了高阶费歇耳信息矩阵，并结合其对称特点及矩阵元素与网络拓扑间的对应关系，将其分解为两个分块对角矩阵的线性组合，它们分别包含所有节点和边的费歇耳信息量。其次，通过两次运用矩阵求逆引理，推导了费歇耳信息矩阵的逆即克拉美-罗下界以及网络节点等价费歇耳信息矩阵的显式表达式；同时引入了迭代过程，将整个求逆过程完全分解为若干个低阶矩阵间的运算，以减小单步运算量。最后，通过数值试验对该算法进行了验证，并与矩阵分块迭代求逆法进行了对比分析。结果表明，两者均具有较高的计算效率和精度，但本算法运算量更小，计算速度更快，从而验证了算法的准确性和有效性。该算法可用于分析任意耦合型无向网络导航定位模型中各节点或边费歇耳信息的融合过程。
关键词: 多智能体系统    网络导航    信息耦合    费歇耳信息矩阵    分布式算法    
A distributed inversion method for higher-order Fisher information matrices
GUO Peng, CUI Hutao, ZHANG Zexu, XU Tianlai     
School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China



Abstract: To obtain the explicit expression of Cramér-Rao lower bound (CRLB) and simplify the inversion process of higher-order Fisher information matrices (FIM) for undirected network navigation of multi-agent systems (MAS) with arbitrary information coupling, we proposed a distributed inversion method named block diagonalization method. Firstly, a high-order FIM was constructed for the arbitrary coupling undirected network navigation and positioning model, and then on the basis of its symmetry characteristics and the relationship between submatrices and network topology, the FIM was expressed as a linear combination of two block diagonal matrices, which contained the Fisher information of all nodes and edges respectively. Secondly, the matrix inversion lemma was used twice to derive the explicit expression of the inverse of FIM, i.e. CRLB and the equivalent FIM for network nodes. An iterative process was also introduced to decompose the whole inversion process into computations between several lower-order matrices, so as to mitigate the computational burden at every step. Finally, the proposed algorithm was verified by numerical experiments, and compared with the matrix block iterative inversion method. Results show that both methods had high computational efficiency and accuracy, but the computational burden of the proposed method was lower and the computational speed was faster, which verifies its accuracy and effectiveness. This algorithm can be used to analyze the Fisher information fusion process for every node or edge in arbitrary coupling undirected network navigation and positioning model.
Keywords: multi-agent system    network navigation    information coupling    Fisher information matrix    distributed method    
高精度协同导航定位是复杂环境下跟踪多智能体系统(Multi-agent system, MAS)状态、完成任务分配、实现协同控制的重要保障，它在军民领域均有广阔的应用前景。然而，现实中MAS动力学和量测行为往往具有高动态特性，如何高效融合处理时空域复杂耦合的量测信息、获得智能体状态最优估计、实现系统自主导航是当前协同导航理论和技术发展面临的关键难题^[1-3]。

最近几年，国、内外学者针对不同领域MAS协同导航定位问题开展了广泛研究，取得了许多创新性成果。徐博等^[1]从协同导航编队构型、系统建模和信息融合算法等角度综述了多自主水下航行器领域相关研究进展；许晓伟等^[2]分析讨论了多无人机系统协同导航技术的发展现状和趋势；张辰等^[3]总结了多机器人系统协同导航定位、路径规划和任务分配等方面的研究进展。目前，分布式协同导航算法是重要研究课题，并且现有算法大多是由传统滤波算法改进得到，其中分布式卡尔曼滤波算法应用最广^[4-8]。

针对MAS协同导航建模与多源信息融合等问题，Win等^[9-14]构建了时空一体化信息网络研究框架，发展了网络导航理论。首先，他们将智能体在不同测量时刻的运动状态作为不同的网络节点，用锚点表示状态已知的参考点，并通过节点、锚点之间的连线来表示MAS在时空域复杂的动力学和量测信息交互关系，将系统抽象为时空信息网络模型；其次，基于费歇耳信息理论赋予网络各节点和边相应的信息量，构造费歇耳信息矩阵(Fisher information matrix, FIM)来表征网络中所有信息的量化关系，获取系统的全局特征；并通过计算克拉美-罗下界(Cramér-Rao lower bound, CRLB)即费歇耳信息矩阵的逆来获得时空协同导航的最优性能界限；最后，引入等价费歇耳信息矩阵(Equivalent Fisher information matrix, EFIM)来表示智能体在信息融合处理后获得的信息量，将多源信息融合处理问题转化为信息沿网络传播规律推理问题。

上述研究框架能够充分考虑动力学和量测信息复杂的耦合关系，并能获得理论上的最优导航性能，这正是多智能体协同导航最优滤波算法所需要的。但由于网络节点会随着时间和空间的变化不断增多，对应的全局FIM阶数也会不断增大，尤其是对于复杂耦合的大规模网络结构，FIM分布式求逆获得EFIM显式表达式将十分困难。Mazuelas等^[13]以无向网络导航模型为研究对象，采用分块矩阵求逆法推导了无环网络结构(节点串联或并联)中各节点的EFIM，并总结了信息沿网络传播的衰减特性，而在研究耦合型网络结构时，仅讨论了网络中存在一个闭环的情形，并指出了任意耦合型网络EFIM形式的复杂性，因此限制了对网络协同导航机理的深入理解和分析。张立川等^[15]采用上述方法对AUV集群网络协同导航定位精度进行了分析，同样强调了3个及3个以上节点相互耦合时EFIM的复杂性，因此其研究范围局限在少量节点主从式编队结构上。

为解决上述难题，本文提出了一种矩阵分块对角化求逆方法，结合费歇耳信息矩阵对称特点及其元素与网络拓扑间的对应关系，将其分解为两个分块对角矩阵的线性组合，它们分别包含了所有节点和边的费歇耳信息量；应用矩阵求逆引理，推导了克拉美-罗下界和网络节点等价费歇耳信息矩阵的显式表达式；引入迭代过程，将整个求逆过程完全分解为若干个低阶矩阵间的运算，减小了单步运算量。值得注意的是，本文算法在求解费歇耳信息逆矩阵时, 要求各节点的费歇耳信息矩阵均可逆，因此存在一定的局限性。

1 问题描述本文参考文献[13]的符号体系简要描述了无向网络导航定位模型以及基于费歇耳信息分析法构造费歇耳信息矩阵的过程。

1.1 无向网络导航定位模型考虑由S个节点构成的无向网络，其所有节点均彼此相连，并用x_iRⁿ(i∈S, S={1, 2, …, S})表示第i个节点的状态向量，它通常包含节点的位置、速度或者姿态等信息，那么网络所有节点状态的集合X∈R^nS可以表示为

$\boldsymbol{X}=\left\{\boldsymbol{x}_i\right\}_{i=1}^S=\left[\boldsymbol{x}_1^{\mathrm{T}}, \cdots, \boldsymbol{x}_i^{\mathrm{T}}, \cdots, \boldsymbol{x}_S^{\mathrm{T}}\right]^{\mathrm{T}}$ (1)

同时用Y表示系统所有测量的集合：

$\boldsymbol{Y}=\left[\boldsymbol{Y}_{\text {out }}^{\mathrm{T}}, \boldsymbol{Y}_{\text {in }}^{\mathrm{T}}\right]^{\mathrm{T}}$ (2)

$\left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{Y}_{\text {out }}=\left\{\boldsymbol{y}_i\right\}_{i=1}^S=\left[\boldsymbol{y}_1^{\mathrm{T}}, \boldsymbol{\cdots}, \boldsymbol{y}_i^{\mathrm{T}}, \boldsymbol{\cdots}, \boldsymbol{y}_S^{\mathrm{T}}\right]^{\mathrm{T}} \\\boldsymbol{Y}_{\text {in }}=\left\{\boldsymbol{y}_{i, j}\right\}_{i, j=1, i<j}^{S, S}=\left[\boldsymbol{y}_{1, 2}^{\mathrm{T}}, \boldsymbol{y}_{1, 3}^{\mathrm{T}}, \cdots, \boldsymbol{y}_{i, j}^{\mathrm{T}}, \cdots, \boldsymbol{y}_{S-1, S}^{\mathrm{T}}\right]^{\mathrm{T}}\end{array}\right.$ (3)

式中：Y_out为系统所有外部测量，它由S个任意维列向量y_i组成；y_i为i节点与外部状态已知的锚点之间的测量，其中包括节点从自身传感器获得的测量信息以及先验信息等，并假设y_i测量误差仅与i节点的状态x_i有关，其条件概率密度函数用f(y_i; x_i)表示；Y_in为系统所有内部测量，即节点间测量的集合，它由Q=(S-1)S/2个任意维列向量y_{i, j}(i < j) 构成，Q为网络节点的最大连接数；y_{i, j}为i、j节点之间的测量，例如节点间距离、相对速度、相对方位角、信号到达时间等，并假设y_{i, j}测量误差仅与i, j节点相对状态(x_i-x_j) 有关，其条件概率密度函数用f(y_{i, j}; x_i, x_j)表示；同时还假设概率密度函数f(y_i; x_i) 和f(y_{i, j}; x_i, x_j)满足如下正则条件：

$\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial \ln f\left(\boldsymbol{y}_i ; \boldsymbol{x}_i\right)}{\partial \boldsymbol{x}_i}\right\}=\mathit{\pmb{0}}$ (4)

$\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial \ln f\left(\boldsymbol{y}_{i, j} ; \boldsymbol{x}_i, \boldsymbol{x}_j\right)}{\partial \boldsymbol{x}_i}\right\}=-\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial \ln f\left(\boldsymbol{y}_{i, j} ; \boldsymbol{x}_i, \boldsymbol{x}_j\right)}{\partial \boldsymbol{x}_j}\right\}=\mathit{\pmb{0}}$ (5)

式中：E{?}表示取数学期望。那么最优导航定位算法的目的是需要根据网络中所有测量信息Y获得各节点状态x_i的最优估计值和估计精度。

1.2 费歇耳信息分析由概率论可知，在上述正则条件(4)~(5)的假设下，系统状态的任意无偏估计$\hat{\boldsymbol{X}}$满足克拉美-罗下界(CRLB)条件^[13]：

$\operatorname{Cov}(\hat{\boldsymbol{X}})=\boldsymbol{E}_{\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X}}\left\{(\hat{\boldsymbol{X}}-\boldsymbol{X})(\hat{\boldsymbol{X}}-\boldsymbol{X})^{\mathrm{T}}\right\} \geqslant[\boldsymbol{J}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})]^{-1}$ (6)

其中J(Y; X)∈ R^nS×nS为费歇耳信息矩阵(FIM)，即

$\boldsymbol{J}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})=-\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial^2 \ln f(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})}{\partial \boldsymbol{X} \partial \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}}\right\}$

式中f(Y; X)为测量Y关于状态X的条件概率密度函数。

克拉美-罗下界(CRLB)即费歇耳信息矩阵的逆表示无偏估计$\hat{\boldsymbol{X}}$所能达到的最优值，将CRLB矩阵均匀划分为S×S个n阶子方块，其主对角分块子矩阵即表征对应节点的最优导航定位精度，那么i节点最优状态估计的协方差矩阵可以记为

$\operatorname{Cov}\left(\hat{\boldsymbol{x}}_i\right)_{\mathrm{opt}}=\left[\boldsymbol{J}^{-1}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})\right]_{\boldsymbol{x}_i}$ (7)

引入等价费歇耳信息矩阵(EFIM)^[13]：

$\boldsymbol{J}_{\mathrm{e}}\left(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{x}_i\right)=\left[\operatorname{Cov}\left(\hat{\boldsymbol{x}}_i\right)_{\mathrm{opt}}\right]^{-1}=\left[\boldsymbol{J}^{-1}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})\right]_{\boldsymbol{x}_i}^{-1}$ (8)

它表示网络测量信息Y经过最优融合处理后节点i获得的有效信息量，它与i节点的后验协方差矩阵互为逆矩阵，因此同样能表征i节点状态估计精度。

由式(6)可知，最优估计的表达式以及对应的估计精度取决于具体的概率密度函数f(Y; X)，而推导分布式最优估计算法的关键难点在于获得任意阶费歇耳信息矩阵J(Y; X)的分布式求逆公式，因此接下来分析矩阵J(Y; X)的结构。i节点与锚点之间的测量y_i给出了关于节点状态x_i的费歇耳信息^[11]：

$\boldsymbol{J}\left(\boldsymbol{y}_i ; \boldsymbol{x}_i\right)=-\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial^2 \ln f\left(\boldsymbol{y}_i ; \boldsymbol{x}_i\right)}{\partial \boldsymbol{x}_i \partial \boldsymbol{x}_i^T}\right\}=\boldsymbol{K}_{i, i}$ (9)

式中K_{i, i}≥ 0为n阶实对称半正定方阵，它表示i节点自身的有效信息量，若i节点无外部测量y_i，则K_{i, i}= 0。同样，i、j节点间的测量y_{i, j}给出了关于节点状态x_i、x_j的费歇耳信息^[13]：

$\boldsymbol{J}\left(\boldsymbol{y}_{i, j} ; \boldsymbol{x}_i, \boldsymbol{x}_j\right)=\left[\begin{array}{rr}\boldsymbol{K}_{i, j} & -\boldsymbol{K}_{i, j} \\-\boldsymbol{K}_{i, j} & \boldsymbol{K}_{i, j}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{rr}1 & -1 \\-1 & 1\end{array}\right] \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}$ (10)

$\boldsymbol{K}_{i, j}=\boldsymbol{E}\left\{\frac{\partial^2 \ln f\left(\boldsymbol{y}_{i, j} ; \boldsymbol{x}_i, \boldsymbol{x}_j\right)}{\partial \boldsymbol{x}_i \partial \boldsymbol{x}_j^{\mathrm{T}}}\right\}$ (11)

式中：?为克罗内克积，K_{i, j}≥ 0为n阶实对称半正定方阵，且K_{i, j}=K_{j, i}。那么结合式(9)~(11)可得，网络中所有测量Y提供的关于所有节点状态X的费歇耳信息构成矩阵J (Y; X)^[13]：

$\boldsymbol{J}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})=\sum\limits_{(i, j) \in S^2, i \leqslant j} \boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}$ (12)

其中

$\boldsymbol{G}_{i, j}^S= \begin{cases}\boldsymbol{e}_i^S\left(\boldsymbol{e}_i^S\right)^{\mathrm{T}}, & i=j \\ \boldsymbol{e}_{i, j}^S\left(\boldsymbol{e}_{i, j}^S\right)^{\mathrm{T}}, & i \neq j\end{cases}$

式中e_i^S为S维列向量，它除第i个元素为1外，其余元素均为0，e_{i, j}^S=(e_i^S-e_j^S)。当i≠j时，G_{i, j}^S?K_{i, j}称为i、j节点间的信息链^[13]：

$\boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}=\left[\begin{array}{ccccc}\bf{0} & \cdots & \cdots & \cdots & \bf{0} \\\vdots & \boldsymbol{K}_{i, j} & \vdots & -\boldsymbol{K}_{i, j} & \vdots \\\vdots & \cdots & \cdots & \cdots & \vdots \\\vdots & -\boldsymbol{K}_{i, j} & \vdots & \boldsymbol{K}_{i, j} & \vdots \\\bf{0} & \cdots & \cdots & \cdots & \bf{0}\end{array}\right], i \neq j$ (13)

式中省略号部分均为0。无向/有向信息网络的主要区别即体现在信息链的对称性上，对于无向信息网络，其所有信息链均满足如下对称性条件：

$\boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}=\boldsymbol{G}_{j, i}^S \otimes \boldsymbol{K}_{j, i}, \forall(i, j) \in \boldsymbol{S}^2, i \neq j$ (14)

而在有向信息网络中，则至少存在一条信息链不满足上述条件。矩阵(13)还可以简写为:

$\boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}=\left(\boldsymbol{e}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{I}_n\right) \cdot \boldsymbol{K}_{i, j} \cdot\left(\boldsymbol{e}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{I}_n\right)^{\mathrm{T}}$ (15)

式中：I_n为n阶单位矩阵，K_{i, j}为信息链的容量，若i, j节点间无测量，则K_{i, j}= 0。在无向信息网络中K_{i, j}称为ij边的有效信息量，K_{i, j}= 0表示节点不相连；反之，K_{i, j}≠ 0表示i、j节点是相连的。上述J(Y; X)具体展开，可表示为如下分块对称矩阵的形式^[14]：

$\boldsymbol{J}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})=\left[\begin{array}{cccc}\boldsymbol{K}_{1, 1}+\boldsymbol{K}_{1, 2}+\cdots+\boldsymbol{K}_{1, S} & -\boldsymbol{K}_{1, 2} & \cdots & -\boldsymbol{K}_{1, S} \\-\boldsymbol{K}_{2, 1} & \boldsymbol{K}_{2, 1}+\boldsymbol{K}_{2, 2}+\cdots+\boldsymbol{K}_{2, S} & \cdots & -\boldsymbol{K}_{2, S} \\\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\-\boldsymbol{K}_{S, 1} & -\boldsymbol{K}_{S, 2} & \cdots & \boldsymbol{K}_{S, 1}+\boldsymbol{K}_{S, 2}+\cdots+\boldsymbol{K}_{S, S}\end{array}\right]$ (16)

或者简写为

$\boldsymbol{J}(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{X})=\left\{\boldsymbol{J}_{i, j}\right\}_{i, j=1}^{S, S}, \boldsymbol{J}_{i, j}=\left\{\begin{array}{l}\sum\limits_{k=1}^S \boldsymbol{K}_{i, k}, i=j \\-\boldsymbol{K}_{i, j}, i \neq j ;\end{array}\right.$ (17)

式中J≥ 0为nS阶实对称半正定方阵，如果所有K_{i, i}正定，则J正定，但值得注意的是，所有K_{i, i}正定并非J正定的必要条件^[13]。在时空一体化信息网络模型中，网络节点数S会随时间和空间的变化不断增大，因此费歇耳信息矩阵J的阶数也会不断增大。

2 高阶费歇耳信息矩阵求逆高阶矩阵求逆通常用到LU分解法、矩阵分块迭代求逆法等，属于集中式算法。然而对于MAS，在算法实现中，直接对高阶费歇耳信息矩阵进行数值求逆往往存在局限性。

1) 由于矩阵阶数较大，直接求逆困难，运算过程对处理器性能要求较高。

2) 每个节点需要等待整个求逆运算完成后才能获得自身的相关信息，效率较低。

因此，在工程应用中对分布式求逆算法有迫切需求，其核心是简化运算过程、减小单步计算量，降低算法对处理器性能的要求。

针对分布式求逆问题，本文结合费歇耳信息矩阵的实际物理含义及其对称特点，提出了矩阵分块对角化求逆法，获得了费歇耳信息矩阵求逆公式，便于后续分布式估计算法推导。下面详细介绍矩阵分块迭代求逆法和分块对角化求逆法的求解过程，并分析算法特点。假设涉及的K_{i, i}和K_{i, j}矩阵全部可逆，对于部分K_{i, i}或K_{i, j}矩阵不可逆的情形，将在文中进行分析说明。

2.1 矩阵分块迭代求逆法当矩阵J的阶数较高时，将其划分为2×2阶分块矩阵仍不能有效避免高阶矩阵求逆问题，因此需要运用如下形式的迭代算法，将J矩阵逐级分解为低阶分块子矩阵求解。引入符号表示：

$\widetilde{\boldsymbol{J}}_s=\left\{\boldsymbol{J}_{i, j}\right\}_{i, j=1}^{s, s}, \widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}=\left\{\boldsymbol{J}_{i, j}\right\}_{i, j=1}^{s-1, s-1}, \boldsymbol{\beta}_s=\left\{\boldsymbol{J}_{s, j}\right\}_{j=1}^{s-1}$ (18)

式中$\widetilde{\boldsymbol{J}}_s, \tilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}$分别为费歇耳信息矩阵前s和s-1阶分块子矩阵，它们之间的关系为

$\widetilde{\boldsymbol{J}}_s=\left[\begin{array}{cc}\widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1} & \boldsymbol{\beta}_s^{\mathrm{T}} \\\boldsymbol{\beta}_s & \boldsymbol{J}_{s, s}\end{array}\right]$ (19)

式中：$\boldsymbol{J}_{s, s}=\sum\limits_{j=1}^S \boldsymbol{K}_{s, j}$。对矩阵(19)求逆可得迭代公式，即

$\widetilde{\boldsymbol{J}}_s^{-1}=\left[\begin{array}{rr}\widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1}+\widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} \boldsymbol{\beta}_s^{\mathrm{T}} \boldsymbol{\alpha} \boldsymbol{\beta}_s \widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} & -\widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} \boldsymbol{\beta}_s^{\mathrm{T}} \boldsymbol{\alpha}_s \\-\boldsymbol{\alpha} \boldsymbol{\beta}_s \widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} & \boldsymbol{\alpha}_s\end{array}\right]$ (20)

式中：$\boldsymbol{\alpha}_s=\left(\boldsymbol{J}_{s, s}-\boldsymbol{\beta}_s \widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} \boldsymbol{\beta}_s^{\mathrm{T}}\right)^{-1}$。当s =1时，

$\widetilde{\boldsymbol{J}}_1^{-1}=\boldsymbol{J}_{1, 1}^{-1}=\left(\sum\limits_{j=1}^S \boldsymbol{K}_{1, j}\right)^{-1}$ (21)

当s=S时，$\tilde{\boldsymbol{J}}_{s=S}=\boldsymbol{J}$迭代终止，$\widetilde{\boldsymbol{J}}_S^{-1}=\boldsymbol{J}^{-1}$即为所求。迭代过程需要对S个n阶方阵$\left(\boldsymbol{J}_{s, s}-\boldsymbol{\beta}_s \widetilde{\boldsymbol{J}}_{s-1}^{-1} \boldsymbol{\beta}_s^{\mathrm{T}}\right)$进行求逆运算，这里n为单个节点的状态向量维数，它通常较小，因此该算法对处理器计算性能要求不高，易于工程实现。

2.2 矩阵分块对角化求逆法由式(16)可知，费歇耳信息矩阵J具有对称性，结合式(12)~(15)可以将它写为如下形式：

$\boldsymbol{J}=\boldsymbol{J}_0+\sum\limits_{(i, j) \in S^2, i<j} \boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}$ (22)

其中

$\begin{aligned}\boldsymbol{J}_0= & \sum\limits_{i=1}^S\left(\boldsymbol{e}_i^S\left(\boldsymbol{e}_i^S\right)^{\mathrm{T}}\right) \otimes \boldsymbol{K}_{i, i}= \\& \operatorname{blkdiag}\left(\boldsymbol{K}_{1, 1}, \cdots, \boldsymbol{K}_{i, i}, \cdots, \boldsymbol{K}_{S, S}\right)\end{aligned}$

式中J₀为分块对角矩阵，用blkdiag(·)表示，即矩阵的主对角线由S个方阵K_{i, i}构成，其余元素均为0。J₀包含了所有节点自身的有效信息，而等式(22)右侧第2项则包含了所有节点间的信息链。

接下来讨论一般情形，即所有K_{i, i}和K_{i, j}矩阵均可逆。结合式(15)信息链矩阵的简写形式，对等式(22)右侧第2项进行分块对角化，可得

$\begin{aligned}& \sum\limits_{(i, j) \in S^2, i<j} \boldsymbol{G}_{i, j}^S \otimes \boldsymbol{K}_{i, j}=\widetilde{\boldsymbol{L}}^{\mathrm{T}} \cdot \widetilde{\boldsymbol{K}} \cdot \widetilde{\boldsymbol{L}} \\& \widetilde{\boldsymbol{L}}=\boldsymbol{L} \otimes \boldsymbol{I}_n \\& \widetilde{\boldsymbol{K}}=\operatorname{blkdiag}\left(\boldsymbol{K}_{1, 2}, \cdots, \boldsymbol{K}_{1, S}, \boldsymbol{K}_{2, 3}, \cdots, \boldsymbol{K}_{i, j}, \cdots, \boldsymbol{K}_{S-1, S}\right) \\& \boldsymbol{L}=\left[\boldsymbol{e}_{1, 2}^S, \cdots, \boldsymbol{e}_{1, S}^S, \boldsymbol{e}_{2, 3}^S, \cdots, \boldsymbol{e}_{i, j}^S, \cdots, \boldsymbol{e}_{S-1, S}^S\right]^{\mathrm{T}}, i<j\end{aligned}$ (23)

式中：$\widetilde{\boldsymbol{K}} \in {\bf{R}}^{n Q \times n Q}$为分块对角矩阵，即矩阵的主对角线由Q=(S-1)S/2个方阵K_{i, j}(i≠j) 构成，它包含了所有边的有效信息。L为表示节点间连接关系的Q×S阶常值矩阵，它的元素是确定的，仅包含{0, 1, -1}3种，将L展开可得

$\mathit{\boldsymbol{L}} = {\left[ \begin{array}{l}{\mathit{\pmb{1}}_{S - 1}}\;\; - {\mathit{\boldsymbol{I}}_{S - 1}}\\{\mathit{\pmb{0}}_{S - 2}}\;\;{\mathit{\pmb{1}}_{S - 2}}\;\; - {\mathit{\boldsymbol{I}}_{S - 2}}\\{\mathit{\pmb{0}}_{S - 3}}\;\;{\mathit{\pmb{0}}_{S - 3}}\;\;\;{\mathit{\pmb{1}}_{S - 3}}\;\; - {\mathit{\boldsymbol{I}}_{S - 3}}\\...\\0\;\;\;0\;\;0\;\;\;...\;\;\;\;0\;\;\;1\;\; - 1\end{array} \right]_{Q \times S}}$

式中：1_S、0_S分别为元素全为1或0的S维列向量，I_S为S阶单位矩阵。进一步用L_k(k=1, …, S) 表示L的第k列元素，L=[L₁, …, L_k, …, L_S]，L_k有如下性质：

$\boldsymbol{L}_k^{\mathrm{T}} \boldsymbol{L}_j=\left\{\begin{array}{c}S-1, k=j \\-1, k \neq j\end{array}\right.$ (25)

令$\widetilde{\boldsymbol{L}}_k=\boldsymbol{L}_k \otimes \boldsymbol{I}_n$，那么式(23)中L则可以表示为

$\widetilde{\boldsymbol{L}}=\left[\widetilde{\boldsymbol{L}}_1, \cdots, \widetilde{\boldsymbol{L}}_k, \cdots, \widetilde{\boldsymbol{L}}_S\right]$ (26)

综上所述，费歇耳信息矩阵J最终表示为

$\boldsymbol{J}=\boldsymbol{J}_0+\widetilde{\boldsymbol{L}}^{\mathrm{T}} \widetilde{\boldsymbol{K}} \widetilde{\boldsymbol{L}}$ (27)

对式(27)应用矩阵求逆引理，可得

$\boldsymbol{J}^{-1}=\left(\boldsymbol{J}_0+\widetilde{\boldsymbol{L}}^{\mathrm{T}} \widetilde{\boldsymbol{K}} \widetilde{\boldsymbol{L}}\right)^{-1}=\boldsymbol{J}_0^{-1}-\boldsymbol{J}_0^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}} \boldsymbol{J}_0^{-1}$ (28)

$\boldsymbol{R}=\widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}+\widetilde{\boldsymbol{L}} \boldsymbol{J}_0^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}^{\mathrm{T}}$ (29)

式中J₀^－1、$\widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}$分别为分块对角矩阵。那么J矩阵求逆即需要求nQ阶矩阵R的逆，将矩阵R展开可得

$\boldsymbol{R}=\widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}+\sum\limits_{k=1}^S \widetilde{\boldsymbol{L}}_k \boldsymbol{K}_{k, k}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_k^{\mathrm{T}}$ (30)

对矩阵R_s求逆，本文运用递推公式，令

$\begin{gathered}\boldsymbol{R}_s \triangleq \widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}+\sum\limits_{k=1}^s \widetilde{\boldsymbol{L}}_k \boldsymbol{K}_{k, k}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_k^{\mathrm{T}}, s=0, 1, \cdots, S \\\boldsymbol{R}_s=\boldsymbol{R}_{s-1}+\widetilde{\boldsymbol{L}}_s \boldsymbol{K}_{s, s}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_s^{\mathrm{T}}\end{gathered}$ (31)

对R_s应用矩阵求逆引理，可得

$\boldsymbol{R}_s^{-1}=\boldsymbol{R}_{s-1}^{-1}-\boldsymbol{R}_{s-1}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_s\left(\boldsymbol{K}_{s, s}+\tilde{\boldsymbol{L}}_s^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_{s-1}^{-1} \tilde{\boldsymbol{L}}_s\right)^{-1} \tilde{\boldsymbol{L}}_s^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_{s-1}^{-1}$ (32)

当s=0时，即

$\boldsymbol{R}_0=\widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}, \boldsymbol{R}_0^{-1}=\widetilde{\boldsymbol{K}}$ (33)

当s=S时，R=R_S，R^－1=R_S^－1迭代终止。运用递推公式(31)~(33)求R^-1时，仅需要对S个n阶方阵$\left(\boldsymbol{K}_{s, s}+\widetilde{\boldsymbol{L}}_s^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_{s-1}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_s\right)$求逆，而不需要计算K^－1。但由于R_s的阶数要远大于J，因此反而大幅增加了计算量。为降低迭代过程矩阵阶数，适合引入新矩阵：

$\boldsymbol{P}_{i, j}^s=\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_s^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_j, (s, i, j) \in S^3$ (34)

式中：$\boldsymbol{P}_{i, j}^s \in {\bf{R}}^{n \times n} \text {, 并满足 } \boldsymbol{P}_{i, j}^s=\left(\boldsymbol{P}_{j, i}^s\right)^{\mathrm{T}}$。

对等式(32)~(33)两端分别左乘$\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \text { 、右乘 } \widetilde{\boldsymbol{L}}_j$，并结合式(34)可将上述迭代过程简化为求P_{i, j}^s的形式：

$\boldsymbol{P}_{i, j}^s=\boldsymbol{P}_{i, j}^{s-1}-\boldsymbol{P}_{i, s}^{s-1}\left(\boldsymbol{K}_{s, s}+\boldsymbol{P}_{s, s}^{s-1}\right)^{-1} \boldsymbol{P}_{s, j}^{s-1}$ (35)

当s=0时，$\boldsymbol{P}_{i, j}^0=\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_0^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_j=\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \cdot \widetilde{\boldsymbol{K}} \cdot \widetilde{\boldsymbol{L}}_j$，即

$\boldsymbol{P}_{i, j}^0=\left\{\begin{array}{l}\sum\limits_{k=1, k \neq i}^S \boldsymbol{K}_{i, k}, i=j \\-\boldsymbol{K}_{i, j}, \quad i \neq j\end{array}\right.$ (36)

当s=S时，$\boldsymbol{P}_{i, j}^S=\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}_S^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_j$迭代终止，为了叙述简便，将式中上、下角标S省去，即

$\boldsymbol{P}_{i, j}=\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_j$ (37)

将J₀^－1和L代入式(28)，并结合式(37)可求得费歇耳信息矩阵的逆J^-1，它可以表示为S×S个n阶子方块构成的矩阵：

$\boldsymbol{J}^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}\boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1}-\boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} \boldsymbol{P}_{1, 1} \boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} & -\boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} \boldsymbol{P}_{1, 2} \boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} & \cdots & -\boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} \boldsymbol{P}_{1, S} \boldsymbol{K}_{S, S}^{-1} \\-\boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} \boldsymbol{P}_{2, 1} \boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} & \boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1}-\boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} \boldsymbol{P}_{2, 2} \boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} & \cdots & -\boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} \boldsymbol{P}_{2, S} \boldsymbol{K}_{S, S}^{-1} \\\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\-\boldsymbol{K}_{S, S}^{-1} \boldsymbol{P}_{S, 1} \boldsymbol{K}_{1, 1}^{-1} & -\boldsymbol{K}_{S, S}^{-1} \boldsymbol{P}_{S, 2} \boldsymbol{K}_{2, 2}^{-1} & \cdots & \boldsymbol{K}_{S, S}^{-1}-\boldsymbol{K}_{S, S}^{-1} \boldsymbol{P}_{S, S} \boldsymbol{K}_{S, S}^{-1}\end{array}\right]$ (38)

式(38)可简写为:

$\boldsymbol{J}^{-1}=\left\{\left(\boldsymbol{J}^{-1}\right)_{i, j}\right\}_{i, j=1}^{S, S}$ (39)

$\left(\boldsymbol{J}^{-1}\right)_{i, j}= \begin{cases}\boldsymbol{K}_{i, i}^{-1}-\boldsymbol{K}_{i, i}^{-1} \boldsymbol{P}_{i, i} \boldsymbol{K}_{i, i}^{-1}, & i=j \\ -\boldsymbol{K}_{i, i}^{-1} \boldsymbol{P}_{i, j} \boldsymbol{K}_{j, j}^{-1}, & i \neq j\end{cases}$ (40)

结合式(8)，可得第i个节点的等价费歇耳信息矩阵：

$\begin{aligned}\boldsymbol{J}_e\left(\boldsymbol{Y} ; \boldsymbol{x}_i\right)= & {\left[\left(\boldsymbol{J}^{-1}\right)_{i, i}\right]^{-1}=} \\& \left(\boldsymbol{K}_{i, i}^{-1}-\boldsymbol{K}_{i, i}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}} \boldsymbol{R}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_i \boldsymbol{K}_{i, i}^{-1}\right)^{-1}= \\& \boldsymbol{K}_{i, i}+\widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{R}-\widetilde{\boldsymbol{L}}_i \boldsymbol{K}_{i, i}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}}\right)^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_i\end{aligned}$ (41)

由式(30)可得，式(41)中

$\boldsymbol{R}-\widetilde{\boldsymbol{L}}_i \boldsymbol{K}_{i, i}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_i^{\mathrm{T}}=\widetilde{\boldsymbol{K}}^{-1}+\sum\limits_{k=1, k \neq i}^S \widetilde{\boldsymbol{L}}_k \boldsymbol{K}_{k, k}^{-1} \widetilde{\boldsymbol{L}}_k^{\mathrm{T}}$ (42)

由于k≠i，它与K_{i, i}无关，其求逆过程同r，运用递推公式(31)~(33)时少迭代一次即可。式(41)中J_e(Y; x_i)表示i节点后验费歇耳信息量，而等号右侧第1项K_{i, i}则为先验费歇耳信息量，第2项为信息增量，它与网络拓扑结构密切相关，能表征网络导航节点定位精度的提升程度。不同网络拓扑(如无环型、耦合型等)中节点和边费歇耳信息量的变化规律将在后续进行研究。

综上所述，式(40)即为网络导航任意阶费歇耳信息矩阵分布式求逆公式，它将整个求逆过程完全分解为若干个低阶矩阵间的运算，因此简化了算法过程，符合智能体低性能计算需求。值得注意的是，该算法在求解J^-1时需要对所有K_{i, i}矩阵求逆，因此仅适用于K_{i, i}均为非奇异矩阵的情形，具有一定的局限性，而在求解等价费歇耳信息矩阵J_e(Y; x_i)时则不要求K_{i, i}可逆。对于K_{i, j}为奇异矩阵的情形算法同样适用。

3 数值试验与分析下面通过数值试验对费歇耳信息矩阵分布式求逆过程进行验证，并将计算结果与矩阵分块迭代求逆法进行比较分析。软件平台为MATLAB R2018b，计算机配置为Core i5-8250u CPU，8 G RAM。

作为算例，智能体状态向量维数取n=6，网络节点总数S在0~1 000以内间隔50取值，共20组，那么费歇耳信息矩阵的阶数为nS∈[300, 6 000]。利用随机函数构造相应数量的实对称矩阵作为K_{i, i}和K_{i, j}，其元素数值大小在±10 000范围内，并根据式(18)获得矩阵J。

在试验中，首先验证了矩阵J的对角化过程，即式(27)的准确性：对于随机构成的20组不同阶矩阵J，式(16)和式(27)均得到相同的结果；其次，对比分析了本文两种矩阵求逆算法的运算效率和精度，这里以MATLAB标准求逆函数inv(?)获得的结果作为“精确”解，以矩阵元素最大偏差量的绝对值作为算法计算精度。试验结果如图 1、2所示，其中方法1、2分别表示矩阵分块迭代求逆法和矩阵分块对角化求逆法。

Fig. 1
图 1 两种方法计算时长对比曲线 Fig. 1 Comparison of calculation time of two methods


Fig. 2
图 2 两种方法计算精度对比曲线 Fig. 2 Comparison of calculation accuracy of two methods


图 1给出了两种方法计算时长对比曲线。由图 1可知，随着FIM矩阵阶数的增加，两种方法计算时长均会急剧增大：当矩阵为600阶时，即100个节点的情形，两者时长约为0.20 s，而当节点数或矩阵阶数增大10倍后，计算时长分别为184.60，151.50 s。另外，针对同一阶矩阵，方法2运算效率更高，它的计算时长比方法1平均缩短约18.00%。值得说明的是，inv()是MATLAB经过优化后的内部函数，采用LU分解法，以C语言等编译，对6 000阶FIM矩阵求逆用时约5.00 s，而本文的试验是基于MATLAB语言，方法1、2的程序运算效率和计算精度虽远不及inv()函数，但不影响两者之间进行对比分析。

图 2给出了两种方法计算精度对比曲线。当FIM矩阵增大时，方法1的计算精度保持在10^-20量级，而方法2的计算精度则会由10^-18量级逐渐降低至10^-16，两种方法计算精度相差2~4个数量级，尽管如此，方法2的误差相对于矩阵元素数值大小±10 000是非常微小的，可以忽略不计。

综上所述，通过数值试验与分析验证了本文两种高阶FIM矩阵求逆方法的准确性和有效性，结果表明，两者均具有较高的计算效率和精度，但分布式求逆方法运算量更小，计算速度更快。

4 结论1) 针对多智能体系统任意耦合型无向网络导航中，高阶费歇耳信息矩阵分布式求逆问题，提出了矩阵分块对角化求逆法，并与矩阵分块迭代求逆法进行了对比分析。数值结果表明，两者均具有较高的计算效率和精度。

2) 本文提出的求逆方法在算法结构上具有分散性特点，它将整个求逆过程完全拆分为低阶矩阵间的运算，因此能有效减小单步运算量，降低计算过程对处理器性能的要求。

3) 所获得的费歇耳信息逆矩阵和等价费歇耳信息矩阵的显式表达式，适用于在理论上针对网络各节点或边进行信息融合过程分析。


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