非线性系统中多传感器滤波跟踪型数据融合算法的研究

在非线性系统中，常用的跟踪滤波算法是基于扩展的卡尔曼滤波算法的融合算法，但是这种融合算法的跟踪精度并不是很高。本文根据对滤波器跟踪型数据融合的研究，提出了基于转换测量值卡尔曼滤波算法的非线性系统中的数据融合方法。研究表明，在利用激光干涉仪进行目标跟踪时，这种基于融合算法的集中式融合算法的跟踪性能优于分布式融合算法，但是，从仿真结果可以看出，两种融合算法的差别不大，结果基本相同，因此，在非线性系统中，基于转换测量值卡尔曼滤波算法的分布融合算法可以重构集中式融合算法。     

Study of nonlinear filter methods: particle filter

1.INTRODUCTIONExtended Kalmanfilter(EKF)is probably the most com-mon and popular tool to deal with nonlinear esti mationproblems.It is based on andli mited by model linearizationand Gauss hypothesis.EKF might cause more errors forthose nonlinear systems while esti mating systemstate andits variance.Moreover the linearization maylead to diver-gence of filtering process.The paper introduces a newap-proachto opti mal nonlinear filtering.It is applied to thenonlinear non-Gauss problem.It …     

基于平方根UKF的车辆组合导航

针对扩展卡尔曼滤波(EKF)在车辆导航中存在着计算复杂、线性化误差大等缺点,将一种新的非线性滤波方法--平方根UKF方法(SRUKF)用于车辆GPS/DR组合导航中.和普遍采用的EKF方法相比,SRUKF方法不仅提高了车辆组合定位的精度和稳定性;而且不需要模型的具体解析形式,避免了复杂的Jacobi-an矩阵的计算,算法更简单,也更加易于实现.为了检验其有效性,将两种方法分剐对车辆GPS/DR组合导航系统进行滤波仿真,仿真结果进一步表明SRUKF方法明显优于EKF方法,是车辆组合导航中一种更理想的非线性滤波方法,真正实现了车辆低成本、高精度的实时定位.     

基于循环神经网络的车载DR状态估计

由于噪声的不确定性和自身的非线性特征,通过航位推算系统(DR)精确地估计车辆的状态是实际车辆组合导航中最困难的部分。提出了一种基于循环神经网络的方法,和传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)方法相比,该方法不仅提高了系统定位的准确性和自适应抗干扰能力;而且不需要模型的具体解析形式,避免了复杂的 Jacobian 矩阵的计算,算法更简单,也更加易于实现。为了检验其有效性,将两种方法分别对车辆 DR 导航系统进行滤波仿真,仿真结果进一步表明该神经网络方法明显优于 EKF 方法,是车载 DR 导航中一种更理想的非线性滤波方法。     

UKF-based attitude determination method for gyroless satellite

UKF (unscented Kalman filtering) is a new filtering method suitable to nonlinear systems. The method need not linearize nonlinear systems at the prediction stage of filtering, which is indispensable in EKF ( extended Kalman filtering) . As a result, the linearization error is avoided, and the filtering accuracy is greatly improved. UKF is applied to the attitude determination for gyroless satellite. Simulations are made to compare the new filter with the traditional EKF. The results indicate that under same conditions, compared with EKF, UKF has faster convergence speed, higher filtering accuracy and more stable estimation performance.     

车载DR导航的非线性滤波方法研究

针对扩展卡尔曼滤波方法(EKF)用于车载DR导航系统滤波中存在的一些缺点,将一种新的滤波方法—UKF滤波方法用于车载DR导航系统的非线性状态估计中。该滤波方法与EKF方法相比具有容易实现和滤波精度高的特点。通过非线性状态估计UKF方法大大提高了导航系统的精度。为了检验其有效性,将这两种方法分别对车载DR导航系统进行滤波仿真,仿真结果进一步表明UKF方法优于EKF方法,是一种理想的车载DR导航非线性滤波方法。     

条件线性高斯模型的Gauss Hermite filter-Kalman filter算法

针对条件线性高斯状态空间模型,提出了高斯厄密特滤波-卡尔曼滤波(Gauss Hermite filter-Kalmanfilter,GHF-KF)滤波算法。算法将模型中的条件线性状态方程代入观测方程,并融合线性状态的过程噪声和观测噪声,由GHF获得非线性状态的估计;再将非线性状态的估计均值代入线性状态方程与观测方程,由KF获得线性状态的估计;获得的非线性状态估计方差还用于修正由KF估计的线性状态,以提高精度。将GHF-KF算法应用于目标跟踪的仿真结果表明,与现有Rao-Blackwellized粒子滤波器RBPF相比,新方法在保证估计精度的同时,明显提高了实时性,计算时间仅约为RBPF的5%。     

Recurrent neural network for vehicle dead-reckoning

For vehicle integrated navigation systems, real-time estimating states of the dead reckoning （DR） unit is much more difficult than that of the other measuring sensors under indefinite noises and nonlinear characteristics. Compared with the well known, extended Kalman filter （EKF）, a recurrent neural network is proposed for the solution, which not only improves the location precision and the adaptive ability of resisting disturbances, but also avoids calculating the analytic derivation and Jacobian matrices of the nonlinear system model. To test the performances of the recurrent neural network, these two methods are used to estimate the state of the vehicle＇s DR navigation system. Simulation results show that the recurrent neural network is superior to the EKF and is a more ideal filtering method for vehicle DR navigation.     

非线性非高斯模型的高斯和滤波算法

通过将模型的状态噪声和观测噪声均表示成高斯和的形式,推导出非线性非高斯状态空间模型的高斯和递推算法,进一步提出了对应的扩展卡尔曼和滤波器（extended Kalman sum filter, EKSF）和高斯厄密特和滤波器（Gauss-Hermite sum filter, GHSF）。EKSF和GHSF分别用扩展卡尔曼滤波器（extended Kalman filter, EKF）和高斯厄密特滤波器（Gauss-Hermite filter, GHF）作为高斯子滤波器。分析的结果表明,现有的高斯和滤波算法是本文算法的特例;仿真结果表明,EKSF和GHSF能有效处理非线性非高斯模型的状态滤波问题,与高斯和粒子滤波器（Gaussian sum particle filter, GSPF）相比,EKSF和GHSF在保证精度的同时,大大降低了计算量,仿真时间分别约为GSPF的5%和6%。     

基于神经状态空间的非线性系统建模研究

提出了一种基于神经状态空间的非线性系统建模方法.神经状态空间(NNSP)具有系统的拟线性特性,许多线性系统控制器设计方法均可以扩展到NNSP模型.本文采用了增广卡尔曼滤波方法进行神经状态空间的参数辨识,高阶校验模型用于验证非线性系统神经状态空间的模型的有效性.将本法应用于典型的化学过程的建模,结果表明本方法正确有效.     

基于线偏差测量的目标运动参数估计方法及仿真研究

建立了遥控制导系统目标运动方程和观测方程,为估计目标运动参数,如目标距离,目标运动速度,目标机动方向等,设计了推广卡尔曼滤波器及针对非线性观测模型和线性动态模型的自适应推广卡尔曼滤波器。进行了数学仿真,结果表明在制导系统中的目标运动参数估计方面,自适应推广卡尔曼滤波器的性能优于推广卡尔曼滤波器。     

迭代容积卡尔曼滤波算法及其应用

将Gauss Newton迭代和容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter, CKF)算法相结合,建立了一种迭代CKF(iterated CKF, ICKF)算法。该算法使用容积数值积分原则直接计算非线性随机函数的均值和方差,且在迭代过程中利用最新量测信息并改进迭代过程产生的新息方差和协方差,可获得较高的估计精度。针对弹道系数未知的再入弹道目标状态估计问题,仿真实验结果显示,该方法实现简单,比无迹卡尔曼滤波方法(unscented Kalman filter, UKF)及CKF方法效果要好。     

δ-广义标签多伯努利滤波算法的非线性扩展

针对高斯混合(Gaussian mixture, GM)实现的变分贝叶斯-δ-广义标签多伯努利(variational Bayesian-δ-generalized labeled multi-Bernoulli, VB-δ-GLMB)滤波算法在非线性场景下跟踪性能较低这一问题, 结合基于临近点算法(proximal point algorithm, PPA)和变分贝叶斯(variational Bayesian, VB)的迭代优化与容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filtering, CKF), 提出一种适用于非线性模型的机动多目标跟踪算法。该算法在GM-VB-δ-GLMB的基础上采用逆伽马(inverse-Gamma, IG)和高斯乘积混合分布近似量测噪声协方差和状态联合后验分布; 利用PPA-CKF-VB(PCKF-VB)方法对传递过程中的高斯项参数进行预测更新; 最后为提高滤波精度进行变分贝叶斯容积RTS(VB cubature Rauch-Tung-Striebel, VB-CRTS)平滑。仿真结果表明, 对于量测噪声未知的非线性系统, 所提的算法与现有的VB-δ-GLMB算法相比目标跟踪精度有显著提高。     

基于修正IEKF的IRST系统多站融合跟踪

针对红外搜索跟踪(infrared search and track, IRST)系统单站情况下的弱可观测强非线性问题,提出了一种基于修正迭代扩展卡尔曼滤波(modified iterated extended Kalman filter, MIEKF)的多站融合跟踪算法。按照高斯-牛顿迭代方法对IEKF中的测量更新进行修正,并推导了最大似然迭代终止条件,减小了非线性滤波的线性化误差。结合集中式融合跟踪算法,应用于IRST系统多站目标跟踪。以三站为例进行仿真研究,结果表明所提算法的跟踪性能要优于EKF和UKF。     

基于概率数据关联的雷达导引头抗速度拖引干扰算法

针对在速度拖引干扰下, 脉冲多普勒雷达导引头无法精确跟踪、制导目标的问题, 提出了基于概率数据关联的抗速度拖引干扰算法。对于雷达导引头角度测量信息和Doppler测量信息, 采用序贯扩展卡尔曼滤波算法进行目标状态估计。根据Doppler信息强非线性的特点构建了伪量测信息, 并提出了在Doppler量测更新滤波估计阶段，采用概率数据关联算法进行抗速度拖引干扰。给出了算法的推导过程, 并进行了数值仿真验证。仿真结果表明, 采用该算法能够稳定跟踪释放多重速度拖引干扰的目标, 有效抑制速度拖引干扰对制导信息估计的影响, 改善导弹的制导精度。     

Quadrature Kalman particle fitler

In order to resolve the state estimation problem of nonlinear/non-Gaussian systems,a new kind of quadrature Kalman particle filter (QKPF) is proposed.In this new algorithm,quadrature Kalman filter (QKF) is used for generating the importance density function.It linearizes the nonlinear functions using statistical linear regression method through a set of GaussianHermite quadrature points.It need not compute the Jacobian matrix and is easy to be implemented.Moreover,the importantce density function integrates the latest measurements into system state transition density,so the approximation to the system posterior density is improved.The theoretical analysis and experimental results show that,compared with the unscented partcle filter (UPF),the estimation accuracy of the new particle filter is improved almost by 18%,and its calculation cost is decreased a little.So,QKPF is an effective nonlinear filtering algorithm.     

径向速度测量推广Kalman滤波的改进

研究了一种把径向速度测量引入推广Kalman滤波 (EKF)的新方法。在对测量方程进行分解和对测量噪声的统计特性进行分析的基础上提出了一种序贯处理结构的推广Kalman滤波算法 ,这种算法相当于对非线性的径向速度函数围绕状态矢量的滤波值而不是预测值线性化 ,因而可以大大减小线性化处理带来的误差。两个不同的MonteCarlo仿真结果说明该算法的估计性能优于传统的推广Kalman滤波。     

UKF方法在惯性导航系统初始对准中的应用研究

针对初始对准的精度直接影响系统工作性能问题,在初始对准中引入Unscented卡尔曼滤波算法(UKF)。Unscented卡尔曼滤波算法没有把非线性系统近似为线性系统,而是使用确定性样本的方法处理非线性问题,使采样点的均值和方差完全符合实际的非线性系统的均值和方差,解决了惯性导航系统正常工作的基本条件。仿真结果显示,使用Unscented卡尔曼滤波时惯性导航系统初始对准的精度和稳定性都好于普遍使用的广义卡尔曼滤波方法。     

基于unscented粒子滤波的红外弱小目标跟踪

为有效解决非线性环境中的红外弱小目标跟踪问题,提出基于unscented粒子滤波的目标跟踪算法。状态转移先验概率中未考虑当前测量对状态估计的作用,为克服传统粒子滤波算法采用状态转移先验概率作为粒子滤波建议分布的缺点,采用UKF生成粒子滤波的建议分布(UPF),并从中抽样粒子。由于考虑到当前观测值在状态后验估计中产生的影响,改善了目标状态估计的性能,且实验所需粒子数目大大少于传统粒子滤波算法所需粒子数目。用实际红外图像对所提算法做了仿真实验,结果表明,用该方法得到的状态估计结果优于用传统粒子滤波算法和用扩展卡尔曼滤波作为建议分布的粒子滤波算法获得的结果。     

基于卡尔曼滤波的在线量子态估计优化算法

针对连续弱测量中存在高斯测量噪声的问题, 提出一种基于卡尔曼滤波的在线量子状态估计的预测-修正-投影优化算法。首先,在常规在线卡尔曼滤波算法预测状态时间更新和估计状态测量更新的基础上, 通过增加对量子态的约束条件, 将其应用于在线的量子状态估计中, 将量子态在线估计问题转化为一个带有量子态约束条件的卡尔曼滤波优化问题。其次,通过将待优化问题的求解分解成两个凸优化子问题,一个是基于在线卡尔曼滤波算法求解无约束条件下的量子测量更新问题, 另一个是利用量子约束条件信息, 通过求解矩阵投影问题来获得估计状态。最后,将所提算法应用到4量子位系统状态的在线估计数值实验中, 进行了性能对比实验。实验结果表明, 所提算法具有更优的在线状态估计精度, 并且能够以更少的采样次数和耗时, 实现较高精度的量子状态在线估计。