卡尔曼滤波

合集下载

卡尔曼滤波 公式

卡尔曼滤波 公式

卡尔曼滤波公式
卡尔曼滤波是一种用于估计状态变量的数学算法,广泛应用于各种领域,如航空航天、无人驾驶、机器人等。

以下是卡尔曼滤波的公式:
1.状态预测方程:
x[k|k-1] = A[k|k-1] * x[k-1|k-1] + B[k|k-1] * u[k]
其中,x[k|k-1]表示在时间k对时间k-1的状态预测,A[k|k-1]是状态转移矩阵,B[k|k-1]是控制矩阵,u[k]是控制向量。

2.测量更新方程:
z[k|k] = H[k|k] * x[k|k] + v[k]
其中,z[k|k]表示在时间k对时间k的测量更新,H[k|k]是量测矩阵,v[k]是测量噪声。

3.协方差预测方程:
P[k|k-1] = A[k|k-1] * P[k-1|k-1] * A[k|k-1]' + Q
其中,P[k|k-1]表示在时间k对时间k-1的协方差预测,Q是过程噪声协方差。

4.协方差更新方程:
P[k|k] = (I - K[k] * H[k|k]) * P[k|k-1]
其中,P[k|k]表示在时间k对时间k的协方差更新,K[k]是卡尔曼增益矩阵。

5.卡尔曼增益计算:
K[k] = P[k|k-1] * H[k|k]' / (H[k|k] * P[k|k-1] * H[k|k]' + R)
其中,R是测量噪声协方差。

卡尔曼滤波_卡尔曼算法

卡尔曼滤波_卡尔曼算法

卡尔曼滤波_卡尔曼算法1.引言1.1 概述卡尔曼滤波是一种用于估计系统状态的技术,通过融合传感器测量值和系统模型的预测值,提供对系统状态的最优估计。

它的应用十分广泛,特别在导航、图像处理、机器人技术等领域中发挥着重要作用。

在现实世界中,我们往往面临着各种噪声和不确定性,这些因素会影响我们对系统状态的准确估计。

卡尔曼滤波通过动态调整系统状态的估计值,可以有效地抑制这些干扰,提供更加精确的系统状态估计。

卡尔曼滤波的核心思想是利用系统模型的预测和传感器测量值之间的线性组合,来计算系统状态的最优估计。

通过动态地更新状态估计值,卡尔曼滤波可以在对系统状态的准确估计和对传感器测量值的实时响应之间进行平衡。

卡尔曼滤波算法包括两个主要步骤:预测和更新。

在预测步骤中,通过系统模型和上一时刻的状态估计值,预测当前时刻的系统状态。

在更新步骤中,将传感器测量值与预测值进行比较,然后根据测量误差和系统不确定性的权重,计算系统状态的最优估计。

卡尔曼滤波具有很多优点,例如它对传感器噪声和系统模型误差具有鲁棒性,可以提供较为稳定的估计结果。

此外,卡尔曼滤波还可以有效地处理缺失数据和不完全的测量信息,具有较高的自适应性和实时性。

尽管卡尔曼滤波在理论上具有较好的性能,但实际应用中还需考虑诸如系统模型的准确性、测量噪声的特性等因素。

因此,在具体应用中需要根据实际情况进行算法参数的调整和优化,以提高估计的准确性和可靠性。

通过深入理解卡尔曼滤波的原理和应用,我们可以更好地应对复杂环境下的估计问题,从而在实际工程中取得更好的效果。

本文将介绍卡尔曼滤波的基本原理和算法步骤,以及其在不同领域的应用案例。

希望通过本文的阅读,读者们可以对卡尔曼滤波有一个全面的了解,并能够在实际工程中灵活运用。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:1.2 文章结构本文将围绕卡尔曼滤波和卡尔曼算法展开论述。

首先,我们会在引言部分对卡尔曼滤波和卡尔曼算法进行简要概述,介绍其基本原理和应用领域。

卡尔曼滤波收敛

卡尔曼滤波收敛

卡尔曼滤波收敛摘要:1.卡尔曼滤波的基本原理2.卡尔曼滤波的收敛性证明3.卡尔曼滤波在实际应用中的优势4.卡尔曼滤波的局限性及改进方向正文:一、卡尔曼滤波的基本原理卡尔曼滤波是一种线性高斯状态空间模型,主要用于估计系统状态和优化控制策略。

它通过将预测状态量的高斯分布和观测量的高斯分布进行融合,生成一个新的高斯分布,从而实现对系统状态的估计。

卡尔曼滤波主要包括五个步骤:预测、校正、更新、观测和修正。

预测步骤用于预测系统的状态,校正步骤用于根据测量值修正预测结果,更新步骤用于更新状态估计值,观测步骤用于观测系统状态,修正步骤用于根据观测结果修正状态估计值。

二、卡尔曼滤波的收敛性证明卡尔曼滤波的收敛性可以通过数学证明来阐述。

假设系统状态满足线性高斯状态空间模型,并且观测噪声和过程噪声都满足正态分布。

则卡尔曼滤波可以得到如下状态估计方程:x_hat = A^T * P * A * x + A^T * P * C * z其中,x_hat 表示状态估计值,P 表示状态协方差矩阵,A 表示系统状态转移矩阵,C 表示观测矩阵,z 表示观测值。

可以看出,卡尔曼滤波得到的状态估计值是观测值和预测值的加权平均,权重分别为卡尔曼增益和观测噪声方差。

由于卡尔曼增益和观测噪声方差都是正数,因此状态估计值会随着观测值的增加而逐渐趋近于真实值,即卡尔曼滤波具有收敛性。

三、卡尔曼滤波在实际应用中的优势卡尔曼滤波在实际应用中具有很多优势,主要体现在以下几个方面:1.高精度:卡尔曼滤波可以有效地融合预测和观测信息,提高状态估计的精度。

2.实时性:卡尔曼滤波可以在实时测量观测值的情况下进行状态估计,适用于动态系统的实时控制。

3.鲁棒性:卡尔曼滤波对噪声具有较强的鲁棒性,即使在噪声较大的情况下,仍然可以得到较为准确的状态估计结果。

4.适用性广泛:卡尔曼滤波适用于线性高斯状态空间模型,可以应用于各种领域的问题,如导航、定位、机器人控制等。

卡尔曼滤波计算举例全

卡尔曼滤波计算举例全

卡尔曼滤波计算举例⏹计算举例⏹卡尔曼滤波器特性假设有一个标量系统,信号与观测模型为[1][][]x k ax k n k +=+[][][]z k x k w k =+其中a 为常数,n [k ]和w [k ]是不相关的零均值白噪声,方差分别为和。

系统的起始变量x [0]为随机变量,其均值为零,方差为。

2nσ2σ[0]x P (1)求估计x [k ]的卡尔曼滤波算法;(2)当时的卡尔曼滤波增益和滤波误差方差。

220.9,1,10,[0]10nx a P =σ=σ==1. 计算举例根据卡尔曼算法,预测方程为:ˆˆ[/1][1/1]xk k ax k k -=--预测误差方差为:22[/1][1/1]x x nP k k a P k k -=--+σ卡尔曼增益为:()1222222[][/1][/1][1/1][1/1]x x x nx n K k P k k P k k a P k k a P k k -=--+σ--+σ=--+σ+σˆˆˆ[/][/1][]([][/1])ˆˆ[1/1][]([][1/1])ˆ(1[])[1/1][][]xk k x k k K k z k x k k axk k K k z k ax k k a K k xk k K k z k =-+--=--+---=---+滤波方程:()()2222222222222[/](1[])[/1][1/1]1[1/1][1/1][1/1][1/1]x x x nx n x n x nx nP k k K k P k k a P k k a P k k a P k k a P k k a P k k =--⎛⎫--+σ=---+σ ⎪--+σ+σ⎝⎭σ--+σ=--+σ+σ滤波误差方差起始:ˆ[0/0]0x=[0/0][0]x x P P =k [/1]x P k k -[/]x P k k []K k 012345689104.76443.27012.67342.27652.21422.18362.16832.16089.104.85923.64883.16542.94752.84402.79352.76870.47360.32700.26730.24040.22770.22140.21840.2168ˆ[0/0]0x=[0/0]10x P =220.9110na =σ=σ=2. 卡尔曼滤波器的特性从以上计算公式和计算结果可以看出卡尔曼滤波器的一些特性:(1)滤波误差方差的上限取决于测量噪声的方差,即()2222222[1/1][/][1/1]x nx x na P k k P k k a P k k σ--+σ=≤σ--+σ+σ2[/]x P k k ≤σ这是因为(2)预测误差方差总是大于等于扰动噪声的方差,即2[/1]x nP k k -≥σ这是因为222[/1][1/1]x x n nP k k a P k k -=--+σ≥σ(3)卡尔曼增益满足,随着k 的增加趋于一个稳定值。

卡尔曼滤波原理

卡尔曼滤波原理

卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波(Kalman Filtering)是一种用于估计、预测和控制的最优滤波方法,由美国籍匈牙利裔数学家卡尔曼(Rudolf E. Kalman)在1960年提出。

卡尔曼滤波是一种递归滤波算法,通过对测量数据和系统模型的融合,可以得到更准确、更可靠的估计结果。

在各种应用领域,如导航、机器人、航空航天、金融等,卡尔曼滤波都被广泛应用。

1. 卡尔曼滤波的基本原理卡尔曼滤波的基本原理是基于状态空间模型,将系统的状态用随机变量来表示。

它假设系统的状态满足线性高斯模型,并通过线性动态方程和线性测量方程描述系统的演化过程和测量过程。

具体而言,卡尔曼滤波算法基于以下两个基本步骤进行:1.1 预测步骤:通过系统的动态方程预测当前时刻的状态,并计算预测的状态协方差矩阵。

预测步骤主要是利用前一时刻的状态和控制输入来预测当前时刻的状态。

1.2 更新步骤:通过系统的测量方程,将预测的状态与实际测量值进行融合,得到最优估计的状态和状态协方差矩阵。

更新步骤主要是利用当前时刻的测量值来修正预测的状态。

通过不断迭代进行预测和更新,可以得到连续时间上的状态估计值,并获得最优的估计结果。

2. 卡尔曼滤波的优势卡尔曼滤波具有以下几个优势:2.1 适用于线性系统与高斯噪声:卡尔曼滤波是一种基于线性高斯模型的滤波方法,对于满足这些条件的系统,卡尔曼滤波能够给出最优的估计结果。

2.2 递归计算:卡尔曼滤波是一种递归滤波算法,可以在每个时刻根据当前的测量值和先前的估计结果进行迭代计算,不需要保存过多的历史数据。

2.3 最优性:卡尔曼滤波可以通过最小均方误差准则,给出能够最优估计系统状态的解。

2.4 实时性:由于卡尔曼滤波的递归计算特性,它可以实时地处理数据,并及时根据新的测量值进行估计。

3. 卡尔曼滤波的应用卡尔曼滤波在多个领域都有广泛的应用,以下是一些典型的应用例子:3.1 导航系统:卡尔曼滤波可以用于导航系统中的位置和速度估计,可以结合地面测量值和惯性测量传感器的数据,提供精确的导航信息。

卡尔曼滤波

卡尔曼滤波

位移均方差
速度均方差
卡尔曼滤波简介
目录 Contents源自 一. 二. 三. 四.
背景简介 Kalman 滤波理论基础介绍及应用 Kalman 滤波在自由落体运动目标跟踪中的应用 MATLAB仿真程序及结果
背景简介
匈牙利数学家 1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。 1953,1954年于麻省理工学院分别 获得电机工程学士及硕士学位。 1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。 1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》(线性滤波 与预测问题的新方法)
卡尔曼滤波理论介绍
假如我们要估算k时刻的是实际温度值。首先你要根 据k-1时刻的温度值,来预测k时刻的温度。因为你 相信温度是恒定的,所以你会得到k时刻的温度预测 值是跟k-1时刻一样的,假设是23度,同时该值的高 斯噪声的偏差是5度(5是这样得到的:如果k-1时刻 估算出的最优温度值的偏差是3,你对自己预测的不 确定度是4度,他们平方相加再开方,就是5)。然 后,你从温度计那里得到了k时刻的温度值,假设是 25度,同时该值的偏差是4度。 由于我们用于估算k时刻的实际温度有两个温度值, 分别是23度和25度。
Kalman滤波在自由落体运动目标跟 踪中的应用
其中递推关系式为: T P ( k ) AP ( k 1) A Q(k 1) 1 T T 1 K (k ) P ( k ) C [ CP ( k ) C R ] 1 1 P(k ) P 1 ( k ) K ( k )CP 1 (k ) 估计器表达式,把它分成两部分,前者为预测,后者 (k ) Ax (k 1) K(k)[y(k) CA x (k 1)] 为修正:x 第k时刻的估计是由k-1时刻的预测值加上修正量得到的, (k 1/ k ) Ax (k ) k+1时刻的预测值: x Kalman预测器为: (k 1/ k ) Ax (k ) A{A x (k 1) K(k)[y(k) CA x (k 1)]} x

卡尔曼滤波 详解

卡尔曼滤波详解卡尔曼滤波是一种常用于估计和预测系统状态的优秀滤波算法。

它于1960年代由R.E.卡尔曼提出,被广泛应用于飞机、导弹、航天器等领域,并逐渐在其他科学领域中得到应用。

卡尔曼滤波的基本思想是通过融合测量数据和系统模型的信息,对系统状态进行更准确的估计。

其核心原理是基于贝叶斯定理,将先验知识与观测数据相结合来更新系统状态的概率分布。

卡尔曼滤波算法包括两个主要步骤:更新和预测。

在更新步骤中,算法通过观测值来计算系统的状态估计。

在预测步骤中,算法使用系统的模型对下一个时间步长的状态进行预测。

通过反复进行这两个步骤,可以得到不断更新的状态估计结果。

卡尔曼滤波算法的关键是系统模型和观测模型的建立。

系统模型描述了系统状态的演化规律,通常用线性动态方程表示。

观测模型描述了观测值与系统状态之间的关系,也通常用线性方程表示。

当系统模型和观测模型都是线性的,并且系统噪声和观测噪声都是高斯分布时,卡尔曼滤波算法能够得到最优的状态估计。

卡尔曼滤波的优点在于,在给定模型和测量信息的情况下,它能够最小化误差,并提供最佳的状态估计。

此外,卡尔曼滤波算法还具有递归、高效、低存储等特点,使其在实时应用中具有广泛的应用前景。

然而,卡尔曼滤波算法也有一些限制。

首先,它要求系统模型和观测模型能够准确地描述系统的动态特性。

如果模型存在误差或不完全符合实际情况,滤波结果可能会产生偏差。

其次,卡尔曼滤波算法适用于线性系统,对于非线性系统需要进行扩展,例如使用扩展卡尔曼滤波或无迹卡尔曼滤波。

另外,卡尔曼滤波算法还会受到噪声的影响。

如果系统的噪声比较大,滤波结果可能会失真。

此外,卡尔曼滤波算法对初始状态的选择也敏感,不同的初始状态可能会导致不同的滤波结果。

综上所述,卡尔曼滤波是一种高效、优秀的滤波算法,能够在给定模型和测量信息的情况下提供最优的状态估计。

然而,它也有一些局限性,需要充分考虑系统模型和观测模型的准确性、噪声的影响以及初始状态的选择。

卡尔曼滤波 参数

卡尔曼滤波参数一、卡尔曼滤波简介卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程,通过观测数据对系统状态进行估计的最优滤波方法。

它可以在不知道系统初始状态和测量噪声精度的情况下,通过迭代递推计算出系统状态最优估计值和误差协方差矩阵。

卡尔曼滤波广泛应用于航空、导航、控制、信号处理等领域。

二、卡尔曼滤波参数1. 系统模型参数:包括状态转移矩阵A、控制输入矩阵B、观测矩阵C和过程噪声Q等。

2. 初始状态估计值:指在没有任何观测数据的情况下,对系统初始状态的估计值。

3. 初始误差协方差矩阵:指在没有任何观测数据的情况下,对系统初始误差协方差矩阵的估计值。

4. 观测噪声精度:指观测噪声服从高斯分布时的标准差。

三、系统模型参数详解1. 状态转移矩阵A:描述了系统状态之间的关系。

例如,对于一个飞行器,状态转移矩阵可以描述当前位置、速度和加速度之间的关系。

2. 控制输入矩阵B:描述了控制量与系统状态之间的关系。

例如,对于一个飞行器,控制输入矩阵可以描述飞行员对油门、方向舵和升降舵的控制与速度和加速度之间的关系。

3. 观测矩阵C:描述了观测量与系统状态之间的关系。

例如,对于一个飞行器,观测矩阵可以描述雷达或GPS测量到的位置、速度和加速度与系统状态之间的关系。

4. 过程噪声Q:描述了系统状态转移时由于外部因素而引起的噪声。

例如,在飞行过程中由于气流等因素会引起位置、速度和加速度发生变化。

四、初始状态估计值详解初始状态估计值是指在没有任何观测数据的情况下,对系统初始状态进行估计得到的值。

这个值可以基于经验或者先验知识来确定。

例如,在飞行器起飞前可以通过预测模型来估计出初始位置、速度和加速度等参数。

五、初始误差协方差矩阵详解初始误差协方差矩阵是指在没有任何观测数据的情况下,对系统状态估计误差的协方差矩阵进行估计得到的值。

这个值可以基于经验或者先验知识来确定。

例如,在飞行器起飞前可以通过预测模型来估计出位置、速度和加速度等参数的误差协方差矩阵。

卡尔曼滤波计算速度

卡尔曼滤波计算速度摘要:1.卡尔曼滤波简介2.卡尔曼滤波的计算速度3.影响卡尔曼滤波计算速度的因素4.如何提高卡尔曼滤波的计算速度5.结论正文:一、卡尔曼滤波简介卡尔曼滤波(Kalman filter)是一种线性最优递归滤波算法,主要用于实时估计动态系统的状态变量。

其主要优点是在观测数据存在噪声的情况下,能够实现对系统状态的精确估计。

卡尔曼滤波在许多领域都有广泛应用,如导航定位、信号处理、机器人控制等。

二、卡尔曼滤波的计算速度卡尔曼滤波的计算速度主要取决于以下几个因素:1.系统的规模:卡尔曼滤波的计算复杂度与系统状态变量的数量成正比。

状态变量越多,需要计算的矩阵乘法和加法运算越多,计算速度相对较慢。

2.观测数据的数量和质量:观测数据越多,卡尔曼滤波的计算速度会相应提高。

同时,如果观测数据的质量较高,即噪声较小,那么卡尔曼滤波的收敛速度也会较快。

3.滤波器的参数:卡尔曼滤波的计算速度还与滤波器的参数选择有关。

例如,选择合适的滤波器增益可以加速收敛速度,但过大的增益可能导致滤波器不稳定。

三、影响卡尔曼滤波计算速度的因素1.系统矩阵的规模:系统矩阵的规模直接影响卡尔曼滤波的计算速度。

如果系统矩阵较大,那么计算复杂度也会相应增加,导致计算速度较慢。

2.观测矩阵的规模:观测矩阵的规模也会影响卡尔曼滤波的计算速度。

观测矩阵越大,需要的矩阵乘法和加法运算越多,计算速度越慢。

3.噪声水平:观测数据的噪声水平会影响卡尔曼滤波的收敛速度。

噪声越大,滤波器需要更多的迭代次数才能达到预定的收敛精度,计算速度相应降低。

四、如何提高卡尔曼滤波的计算速度1.优化系统模型:通过选择合适的系统模型,可以降低系统矩阵的规模,从而提高卡尔曼滤波的计算速度。

2.采用近似计算方法:对于大规模的系统,可以采用近似计算方法,如矩阵分解、Cholesky 分解等,以降低计算复杂度。

3.并行计算:利用现代计算机的多核处理器,可以实现卡尔曼滤波的并行计算,从而提高计算速度。

卡尔曼滤波

什么是卡尔曼滤波?卡尔曼滤波器(Kalman Filter )是一个最优化自回归数据处理算法(optimal recursive data processing algorithm )。

卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则,来寻求一套递推估计的算法,其基本思想是:采用信号与噪声的状态空间模型,利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计,求出现时刻的估计值。

它适合于实时处理和计算机运算。

现设线性时变系统的离散状态防城和观测方程为:X(k) = F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)Y(k) = H(k)·X(k)+N(k)其中X(k)和Y(k)分别是k 时刻的状态矢量和观测矢量F(k,k-1)为状态转移矩阵U(k)为k 时刻动态噪声T(k,k-1)为系统控制矩阵H(k)为k 时刻观测矩阵N(k)为k 时刻观测噪声则卡尔曼滤波的算法流程为:预估计)(X k = F(k,k-1)·X(k-1)计算预估计协方差矩阵Q(k) = U(k)×U(k)')(k C =F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'计算卡尔曼增益矩阵R(k) = N(k)×N(k)'K(k) = )(k C ×H(k)'/[H(k)×)(k C ×H(k)’+R(k)]更新估计)(X ~k =)(X k +K(k)×[Y(k)-H(k)×)(X k ]计算更新后估计协防差矩阵)(C ~k = [I-K(k)×H(k)]×)(k C ×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'X(k+1) = )(X ~kC(k+1) =)(C ~k重复以上步骤。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

3.TheKalmanfilterisapowerfulrecursivedatafusiontoolbasedonestimationtheory.Itworksas an estimator forastatevector containingoneor morerandomvariablesthat are assumedtobeGaussiandistributed. Theunderlyingprinciple ofaKalman filterisapredictor-correctorstructure.Inthepredictioncycle,thestatevectordynamicsaredescribedb yastatespacemodel. Thetransition from onestatetothenextoneatatimeisexpressedbyastatetransitionmatrixor,inthenonlinearcase,asanonli nearfunction.Assignedtothestatevectorisacovariancematrix,whichdescribesthestatisticaldispersi onoftherandomstatevectorcomponents.Thecovariancematrixalsorunsthroughthepredictioncycle ,wherethequalityofthestatespacemodelisdescribedbyanadditivenoisecomponent Q .AnimportantpreconditionforusingaKalmanfilteristhatatleastoneoftheelementsinthestatevectoris observableandthatthereisadditionalinformationavailablefortheobservedelement.Thisadditionali nformationcanconsistofe.g.measurementsorknownconstraintsandis combinedinameasurement vector. Theobservation is used forthecorrectioncycle(oralso:filterupdate).Leftmultiplicationofthepredictedstatevectorwiththeo bservationmatrix C yieldsavectorthatissubtractedfromthemeasurementvectortoobtainaresidual.A fterweightingbytheKalmangain,theresidualisaddedtothepredictedstatevectortoobtainafilteresti mate.TheKalmangainincludesthepredictionerrorcovarianceoftheobservedelementsinthestatevector andthemeasurement noise R .From the formulaforthecalculationoftheKalmangainitcan beseen thattheresidualwillbeweightedlessthehigherthemeasurementnoiseis.Inotherwords,iftheaccuracyofthepredictionishig h(lowcovariancevalues)comparedtothemeasurementnoise,theKalmanfilterwill “f ollow ”ratherth estatespacemodelthanthemeasurements.Iftheaccuracyofthepredictionislowbutthequality ofthemeasurementsishigh,theoppositecaseoccurs.AdetailedexplanationoftheKalmanfilteralgorithmanditscompletederivationcanbefoundin[LO90a],[LO90b].a) LinearKalmanFilterIfthestatetransitionandtheobservationarelinear,theKalmanfiltercanbedescribedbyasimplesetoff ormulas.Predictioncycle:x ˆ− =A ⋅xˆ+ − k +1 =A ⋅P +⋅A T +Q with x ˆ: n-elementstatevector A : n×nstatetransitionmatrix P : covarianceassignedtothestatevector Q : "drivingnoise"Kalmangainandresidual:(B.1.1)K=P − · C T ⋅⎡C ⋅P − −1⋅C +R ⎤ k +1 k +1 ⎣k +1 ⎦ res k +1 =y b (k +1)−C ⋅x ˆk +1 withK : Kalman gain res : residual(B.1.2)y :m-elementmeasurementvectorbUpdatecycle:C :k +1 k P k T −m ×nobservati onmatrix R : measu rementnoise+ − k +1 k +1 k +1 k +1 + − −k +1k +1k +1k +1(B.1.3)Thesuperscript “–”d enotesthepredictedvaluesandthesuperscript “+”indi catesthefilterestimateand itscovariance.b) ExtendedKalmanFilterIfthestatetransitionand/ortheobservationarenotlinear,theycannotbewritteninmatrixform.Inthisca seitisnecessarytolinearizeitbydifferentiationwithrespecttotheelementsofthestatevector,becauset hecovariancecalculationintheKalmanfilteralgorithmusesxˆ =xˆ +K⋅res P =P −K⋅C ⋅Pmatrixcalculus.Forthecalculationofthepredictioncovariance,asquarestatetransitionmatrixisneed ed.Thelinearizedobservationmatrix H mustbeconditionedinawaythattheresult ofthe terminvertible.H ⋅P − ⋅H T +R (innovation, seecalculation of the Kalmangain) is Thenecessarymatricesaregeneratedbydifferentiationwithrespecttothevariablesinthestatevector.Thefollowingexampleshowsthecalculationofalinearizedstatetransitionmatrix A :x ˆ=⎡ x 1⎤ ; x ˆ−=f (x ) ⎡ f 1(x 1,x 2)⎤ + =⎢ ⎥ xk +1 x ˆk f (x ,x ) ⎣ 2⎦⎣ 2 1 2 ⎦ x ˆ+⎡ d d ⎤ ⇒ A = d ⎡ f (x )⎤ ⎢ dx =⎢ 1 f 1(x 1,x 2) dx 2 f 1(x 1,x 2)⎥ ⎥ (B.1.4) ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥dx + d f x x d f x x x ˆk⎣ dx 12(1, 2)dx 12(1,2)⎥⎦ x ˆkThecalculationofalinearizedobservationmatrixisdoneanalogously,butthentheobservation vector y isafunction of x . Thisisforexamplethe case, when thestatescannotbeobserveddirectlybutviaintermediatestatesthatdependnonlinearlyonthestatesof theKalmanfilter.Anexampleforthiscasecanbefoundinchapter2,section2.2.1.4:PointofEllipsoidal Intersection.Theintermediatestatesare:Here,f isanonlinearfunctionof x .y =f(x )(B.1.5)Thelinearizedobservationmatrixiscalculatedbydifferentiating f o (x )withrespectto x .Here,thetwodi mensionalcaseisshown:⎡ d f x x d f x x ⎤⎢ o ,1(1, 2) o ,1(1, 2)⎥ H = d⎡ f (x )⎤ =⎢ dx 1 dx 2 ⎥ (B.1.6) dx ⎣ o ⎦ − ⎢ d d ⎥x ˆk⎣ dx 1f o ,2(x 1,x 2)dx 1f o ,2(x 1,x 2)⎥⎦ x ˆkTheresultofthedifferentiationmustbeevaluatedforthepredictedstates.ThecompleteFilteralgorithmis:ˆx − =A ⋅ˆx + P − = A ⋅P +−A T +q T − T−1K k +1 =P k +1⋅H · ⎡H ⋅P k +1⋅H +R ⎤(B.1.7)⎣⎦+−ˆx k +1 =xˆk +1+K k +1⋅⎡ y b −y ⎤ P k +1 =P k +1−K k +1⋅H⋅P k +1k +1⎢ k ⎢ + o⎢ − k +1kk +1 k ⎣ +− −References[EN02]Ender,J.H.G,Berens,P,Brenner,A.R,Rossing,L,Skupin,andU,"Multi-channelSAR/MTIs ystemdevelopmentatFGAN:fromAERtoPAMIR,"presentedatIEEEInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium,IGARSS'02,2002.[MA01]MassonnetandD,"Capabilitiesandlimitationsoftheinterferometriccartwheel,"GeoscienceandRemoteSensing,IEEETransactionson,vol.39,pp.506-520,2001.[HE04]H ein,Achim,ProcessingofSAR-Data-Fundamentals,SignalProcessing,Interferometry,vol.XV:Springer-Verlag,2004.[LO04a]Loffeld,O,Nies,H,Peters,V,Knedlik,andS,"ModelsandusefulrelationsforbistaticSARprocessing,"IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,vol.42,pp.2031-2038,2004.[WG08]Wang,R,Loffeld,O,Qurat,U,etal.,"AnalysisandExtensionofLoffeld’sBistaticFormulainSpaceborne/AirborneConfiguration,"presentedatEusar2008,Friedrichshafen,Germany,2008[LO04b]Loffeld,O,Nies,H,Gebhardt,U,Peters,V,Knedlik,S,Wiechert,andW,"BistaticSAR-SomeReflectionsonRocca'sSmile,"presentedatEusar2004,Ulm,Germany,2004.[WA05a]Walterscheid,I,Brenner,A,Ender,J.H.G,Loffeld,andO,"AbistaticairborneSARexperimentandprocessingresults,"presentedatIGARSSInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium,Seoul,Korea,2005.[WA05b]Walterscheid,I,Ender,J.H.G,Brenner,A,Loffeld,andO,"BistaticSARProcessingusinganomega-ktypealgorithm,"presentedatIGARSSInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium,Seoul,Korea,2005.[EN06] Ender,J.H.G,Klare,J,Walterscheid,I,Brenner,A.R,Weiß,M,Kirchner,C,Wilden,H,Loffeld,O,Kolb,A,Wiechert,W,Kalkuhl,M,Knedlik,S,Gebhardt,U,Nies,H,Natroshvili,K,Ige,S,MedranoOrtiz,A,Amankwah,andA,"BistaticExporationUsingSpaceborneandAirborneSARSensors:ACloseCollaborationBetweenFGAN,ZESSandFOMAAS,"presentedatIeeeIgarss,Denver,Colorado,2006.[MI03]M ittermayer,J,Lord,R,Borner,andE,SlidingspotlightSARprocessingforTerraSAR-Xusinganewformulationoftheextendedchirpscalingalgorithm,vol.3.Toulouse,France,2003.[GE05]G ebhardt,U,Loffeld,O,Nies,H,Knedlik,S,Ender,andH.J.G,"Bistaticairborne/spacebornehybridexperiment:BasicConsiderations,"presentedatSPIEInternationalSymposiumonRemoteSensing,Brügge,Belgium,2005.[GE06]G ebhardt,U,Loffeld,O,Nies,H,Natroshvili,K,Ender,andH.J.G,"BistaticAirborneSpaceHybridExperiment:SimulationandAnalysis,"presentedat6thEuropeanConferenceonSyntheticApertureRadarEUSAR,Dresden,Germany,2006.114 References [WA06]Walterscheid,I,Klare,J,Brenner,A,Ender,H.H.G,Loffeld,andO,"Challengesofabistaticspaceborne/airborneSARexperiment,"presentedat6htEuropeanConferenceonSyntheticApertureRadar,Dresden,Germany,2006. [EN07]Ender,J,"TheDoubleSlidingSpotlightModeforBistaticSAR,"presentedatIRS(InternationalRadarSymposium)2007,Cologne,Germany,2007[NI06]H.Nies,ZentraleunddezentraleEstimationsverfahreninMulti-SensorsystemenundderenAnwendungamBeispielhochgenauerPositionsbestimmung,vol.23.Aachen,Germany:ShakerVerlag,2006.[NA06]Natroshvili,K,Loffeld,O,Nies,H,Ender,andJoachimH.G,"2Dinversescalingbistaticprocessingandthefocusedimagequalitymeasurements,"presentedatInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium-IGARSS2006,Colorado,2006.[MG00]Montenbruck,O.,Gill,E.,“SatelliteOrbits”,Springer,Corrected3rd Printing2005,ISBN3-540-67280-x[LA95]LaudetP.;DeleuzeM.;GuitardA.;PiuzziA.;ValorgeC.;PreciseOrbitDeterminationwithDORIS;CarrouJ.P.(ed.),SpaceflightDynamics;Cépaduès-Éditions(1995))[KN92]R.Knüfermann,"SimulationerdnaherSatellitenbahnenunterEinbeziehungrealistischerLuftwiderstands-undGravitationsmodellesowiestochastischerStöreinflüsse,"in FachbereichElektrotechnik.Siegen:UniversitätSiegen,1992.[KL83]H.-H.Klinkrad,"AnalytischeBerechnungerdnaherSatellitenbahnenunterVerwendungeinesrealistischenLuftwiderstandsmodells,"in FakultätfütMaschinenbauundElektrotechnik.Braunschweig:TechnischeUniversitätCarolo-WilhelminazuBraunschweig,1983.[KA03]M.Kalkuhl,"ErdnaheOrbitsimulationeinesinterferometrischenCart-Wheels,"inInstitutfürSystemtschnik.Siegen:UniversitätSiegen,2003.[RE]T.Reubelt,"AnalysederSatellitenbewegungsgleichungmitHilfekartesischerBahnkoordinatenamBeispieldesCHAMP-Satelliten,"in GeodätischesInstitut.Stuttgart:UniversitätStuttgart.[AU00]G.R.Austen,Tilo,"RäumlicheSchwerefeldanalyseaussemi-kontinuierlichenEphemeridenniedrigfliegenderGPS-vermessenerSatellitenvomTypCHAMP,GRACEundGOCE,"in GeodätischesInstitut.Stuttgart:UniversitätStuttgart,2000. [Sch96]M.Scheinert(1996)ZurBahndynamikniedrigfliegenderSatelliten UniversitätStuttgart[REI]R eigber,Ch.,Balmino,G.,Schwintzer,P.,Biancale,R.etal.,"AhighqualityglobalgravityfieldmodelfromCHAMPGPStrackingdataandAccelerometry(EIGEN-1S),"GeophysicalResearchLetters,29(14),10.1029/2002GL015064,2002[TA]T apley,B.D.,S.Bettadpur,M.Watkins,andC.Reigber,"Thegravityrecoveryandclimateexperiment:Missionoverviewandearlyresults,"GeophysicalResearchLetters,31,L09607,doi:10.1029/2004GL019920,May2004.References 115 [ALB]A.Albertella,F.Migliaccio,F.Sansò,"GOCE–TheEarthFieldbySpaceGradiometry,"CelestialMechanicsandDynamicalAstronomy83,pp.1–15.[GE04]G ebhardt,U,Loffeld,O,Kalkuhl,M,Nies,H,Knedlik,andS,"OrbitTrackingandInterpolationUsingaRealisticGravitationModel,"presentedatIGARSSInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium,Anchorage,2004.[LO90a]Loffeld,O,EstimationstheorieI-GrundlagenundstochastischeKonzepte:Oldenbourg-Verlag,1990.[LO90b]Loffeld,O,EstimationstheorieII-Anwendungen-Kalman-Filter:Oldenbourg-Verlag,1990.[KAL60]Kalman,R.E.,“ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems”,ResearchInstituteforAdvancedStudy,Baltimore,Md.,1960Author’sremark:ThispapercanbefoundontheWorldWideWeb:/~welch/kalman/media/pdf/Kalman1960.pdf。

相关文档
最新文档