理论教育 贝叶斯估计的时间和量测更新循环及其应用

贝叶斯估计的时间和量测更新循环及其应用

时间:2023-07-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:对贝叶斯估计的时间更新和量测更新进行循环,便可递推地得到每一时刻系统状态的后验概率密度p。该概率密度包含了Xk的所有统计信息,因此根据它可得到Xk的均值、方差以及峭度、斜度等任意阶统计量。

贝叶斯估计的时间和量测更新循环及其应用

在k时刻获得最新的量测值Zk后,可利用其对状态一步预测概率密度进行修正,得到当前状态Xk的后验概率密度:

式中:p(Zk|Z1:k-1)为归一化常数。

递推贝叶斯估计的流程如图3-1所示。对贝叶斯估计的时间更新和量测更新进行循环,便可递推地得到每一时刻系统状态的后验概率密度p(Xk|Z1:k)。该概率密度包含了Xk的所有统计信息,因此根据它可得到Xk的均值、方差以及峭度、斜度等任意阶统计量。上述信息的估计可统一表示为

当Ω(Xk)=Xk时,可得最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)意义下的最优估计它又称为最小均方误差估计子。(www.daowen.com)

图3-1 递推贝叶斯估计示意图

当式(3-1)和式(3-2)所描述的系统模型、量测模型满足线性关系,并且初始状态、系统噪声、量测噪声均满足独立的高斯分布时,状态一步预测概率密度函数和后验概率密度函数亦满足高斯分布,该分布由状态量的均值和方差唯一确定。此时,式(3-9)所描述的精确解是解析的,并且为一个线性估计子,这便是著名的卡尔曼滤波。

在大多数条件下,系统DSS模型为非线性的,状态初值和噪声也难以满足理想的高斯分布。此时,贝叶斯理论给出的最优解不再解析,且随着时间的推移需要无穷多个参数描述,对计算能力和存储容量提出了较高要求,甚至根本无法实现。在这种情况下,人们转而寻找贝叶斯估计问题的次优解。解决上述问题的思路通常可以归结为以下两种:

(1)尽管该情况下卡尔曼框架不再是最优的估计子,但是仍然可以将其作为次优解使用。该估计方法只需要系统状态前两阶矩的统计信息,并假设所求的后验密度满足高斯分布,因此统称为高斯滤波。这类方法有基于雅可比线性化的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)、基于无迹变换的无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)、基于Stirling插值公式的均差滤波(Divided Difference Filter,DDF)、中心差分滤波(Central Difference Filter,CDF)和基于数值积分方法的高斯-厄米特滤波(Gauss-Hermite Filter,GHF)等。

(2)直接通过数值方法逼近贝叶斯估计问题的最优解,即后验概率密度此类方法有栅格法(Grid-Based Methods,GBM)、近似栅格法(Approximate GBM)、矩近似法(Moment Approximation Methods,MAM)和以粒子滤波(Particle Filter,PF)为代表的蒙特卡罗(Monte Carlo)方法等。

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