无迹卡尔曼UKF详细公式推导

本文详细阐述了线性最小方差估计在正态分布下的应用,特别是在离散系统的卡尔曼滤波中,通过协方差更新、系统状态更新和计算卡尔曼增益的过程,揭示了无迹卡尔曼滤波的核心概念。

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设X为被估计随机向量,对X的量测为随机向量Z,X基于Z的线性最小方差估计为:

其中:

估计的均方误差阵为:

当上述X和Z都服从正态分布时,所得到的估计就是最小方差估计

设系统方程和量测方程具有离散形式

                    1- 1

                     1- 2

式中,f和h为非线性向量函数,为不想过的零均值白噪声序列,方差阵为,u(k-1)为确定性控制项。则基于的线性最小方差估计为:

        1- 3

其中,指的是给定条件变量Z0k下随机变量X的条件期望。

根据线性最小方差估计的线性性质,可得:

,可得:

由于互不相关,则:

由上式推导可得:

           1- 4

,根据最小方差估计公式可得:

1- 5

上式中,均值可近似取为条件均值,

                                  1- 6

                                    1- 7

将1- 6式子带入1- 4可得:

                                            1- 8

同理,用条件均值近似均值,即,可估计的均方误差阵:

                                    1- 9

考虑到为对称阵,,根据上述式子可推:

                    1- 10

上述(1-6), (1-8),(1-10)构成了整个无迹卡尔曼滤波的核心,要进一步确定出增益阵Kk,并使算法具有递推性,还需用UT变换确定出及一步预测值

计算卡尔曼增益

系统状态更新

协方差更新

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