卡尔曼滤波简介、发展及理论推导

        卡尔曼滤波(Kalman filtering)是一种利用线性系统状态方程,通过系统输入输出观测数据,对系统状态进行最优估计的算法实际上,KF就是一种状态观测器,但它是为随机系统设计的。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响,所以最优估计也可看作是滤波过程。

        斯坦利·施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器。卡尔曼在NASA埃姆斯研究中心访问时,发现他的方法对于解决阿波罗计划的轨道预测很有用,后来阿波罗飞船的导航电脑使用了这种滤波器。 关于这种滤波器的论文由Swerling (1958), Kalman (1960)与 Kalman and Bucy (1961)发表。

        数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术,Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中,估计动态系统的状态。由于它便于计算机编程实现,并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理,Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法,在通信,导航,制导与控制等多领域得到了较好的应用。

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研究趋势:

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 关联研究:

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 理论推导:

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        卡尔曼滤波(KF)仅限于线性系统,对于非线性系统,需要使用非线性状态估算器来代替KF,由此引出扩展卡尔曼滤波器(EKF),EKF把非线性函数在当前估算状态的平均值附近进行线性化,在每个时间步执行线性化,然后将得到的雅可比矩阵用于预测。 所以当系统是非线性并且可以通过线性化很好地近似时,EKF是状态估算地一个很好的选择。

        EKF的缺点:1、由于复杂的导数,可能难以解析计算雅可比矩阵;2、以数值方式计算它们则可能需要很高的计算成本;3、EKF不适用于具有不连续模型的系统,因为系统不可微分时雅可比矩阵不存在;4、高度非线性系统的线性化效果不好。

        其中最后一种情况下线性化无效,因为非线性函数并不能通过线性函数很好的近似表达出来,描述不了系统动力学。

        为了解决EKF问题,可以使用另一种估算技术,称为无迹卡尔曼滤波(UKF);

        基于相似原理的另一种非线性状态估算器是粒子滤波(PF)。

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