基于MCC的鲁棒高阶CKF在组合导航中的应用

针对高阶容积卡尔曼滤波器在非高斯噪声情况下滤波精度下降的问题,提出了一种新的基于Maximum Correntropy Criterion（MCC）的鲁棒高阶容积卡尔曼滤波算法。考虑到高阶容积规则可以较好地解决非线性问题,在高阶容积滤波的基础上,结合统计线性回归模型对量测更新过程进行重构,利用MCC估计算法实现状态的量测更新,同时解决了系统的非线性和非高斯问题。将所提算法应用到SINS/GPS组合导航系统中,仿真结果表明,核宽的选取对算法的滤波性能有较大的影响,在高斯混合噪声条件下,所提算法相比传统高阶容积卡尔曼滤波算法具有更强的鲁棒性和更高的滤波精度。     

基于Huber M估计的鲁棒Cubature 卡尔曼滤波算法

Cubature卡尔曼滤波器(CKF)在非高斯噪声或统计特性未知时滤波精度将会下降甚至发散,为此提出了统计回归估计的鲁棒CKF算法.推导出线性化近似回归和直接非线性回归的鲁棒CKF算法,直接非线性回归克服了观测方程线性化近似带来的不足.具有混合高斯噪声的仿真实例比较了3种Cubature卡尔曼滤波器的滤波性能,结果表明这两种鲁棒CKF滤波精度及估计一致性明显优于CKF,直接非线性回归的CKF的鲁棒性更强,滤波性能更好.     

有色量测噪声下的HCKF及其应用

针对高阶容积卡尔曼滤波（HCKF）算法在有色量测噪声条件下滤波精度下降的问题,提出了有色量测噪声下的HCKF算法。通过一阶马尔科夫模型将有色量测噪声进行白化,将带有色量测噪声的非线性离散随机系统转化为白噪声下的非线性时滞系统,并给出高斯域内针对非线性时滞系统的贝叶斯滤波框架。利用高阶容积准则对该滤波框架进行近似计算,进而得到有色量测噪声下的HCKF算法。将所提算法应用到机动目标跟踪系统中,仿真实验结果表明,量测噪声为白噪声时,所提算法与标准HCKF算法具有相同的估计性能;在量测噪声为有色噪声时,所提算法相比于标准HCKF具有更优的估计精度和鲁棒性。     

基于高斯–广义双曲混合分布的非线性卡尔曼滤波

本文研究带非平稳厚尾非高斯量测噪声的非线性系统状态估计问题.考虑到广义双曲分布包含多种常见厚尾分布特例,且其混合分布为共轭的广义逆高斯分布,选用广义双曲分布建模厚尾噪声;进而引入伯努利变量构建高斯–广义双曲混合分布来建模非平稳厚尾噪声,并利用该分布的高斯分层结构得到系统的概率模型.随后采用变分贝叶斯方法实现对系统状态以及噪声参数的后验估计,得到针对此类噪声系统的卡尔曼滤波(Kalman filter, KF)框架,现有的几种鲁棒滤波算法均是本文算法的特例.机器人跟踪仿真实验表明,所提算法与同类算法相比具有更好的估计精度和数值稳定性,且对于初始参数具有较好的鲁棒性.     

基于Huber的鲁棒高阶容积卡尔曼滤波算法

为提高随机变量非高斯分布时高阶容积卡尔曼滤波（High-degree Cubature Kalman Filter,HCKF）算法的鲁棒性,提出了一种基于Huber方法的鲁棒高阶容积卡尔曼滤波算法。从近似贝叶斯估计角度解释了Huber方法作用于卡尔曼滤波算法的本质是对新息进行截断平均,通过在现有滤波框架内利用Huber方法对观测量进行预处理,并将处理后的观测量进行标准的HCKF量测更新,实现了HCKF算法的鲁棒化。所提算法无需通过统计线性回归模型对系统的非线性量测模型进行近似,高阶容积变换的优势得到充分利用,从而在保持鲁棒性的前提下提高了算法的滤波精度。单变量非平稳增长模型和再入飞行器目标跟踪问题验证了该算法在鲁棒性和滤波精度方面的优势。     

基于鲁棒H∞滤波的蓄电池荷电状态估计

针对蓄电池系统的荷电状态(SOC)受蓄电池材料及加工制作、工作温度、充放电大小及频率等因素的影响,是一个典型的非线性时变系统,相应的状态估计模型在测量过程中存在噪声干扰引起模型参数不确定性的特征。以安时法为基础,建立SOC的状态方程并应用鲁棒H∞滤波算法预测SOC估计值。仿真研究表明,提出的鲁棒H∞滤波算法在有色噪声干扰下比卡尔曼滤波(Kalman filter)有更好的估计精度;在白噪声情况下,鲁棒H∞滤波算法可通过调节其参数达到和卡尔曼滤波器相同的估计精度。     

鲁棒高斯和集合卡尔曼滤波及其在纯角度跟踪中的应用

针对纯角度目标跟踪中量测信息易受异常值和非高斯噪声干扰的问题,提出了一种新的非线性滤波算法–鲁棒高斯和集合卡尔曼滤波(robust Gaussian-sum ensemble Kalman filter,RGSEnKF)算法.首先,采用Huber技术重塑集合卡尔曼滤波的量测更新过程,能够有效地处理量测中的异常值.随后,将改进的集合卡尔曼滤波在高斯和框架下进行扩展,得到RGSEnKF算法,可以进一步解决受非高斯噪声干扰的非线性系统的状态估计问题.此外,新算法中包含距离参数化初始化策略和高斯分量融合策略.前者是为了减小纯角度跟踪中距离信息不可观测的影响,而后者可以避免高斯分量数目随时间不断增长.大量仿真结果验证了新算法的有效性和鲁棒性.     

WSNs网络下移动机器人HuberM-CKF离散滤波定位*

针对传统移动机器人定位算法精度不高的问题,提出一种基于无线传感器网络HurbM-CKalman滤波(HCKF)算法的移动机器人定位算法。利用HurbM极大似然估计代价函数,求解线性化后CKF观测矩阵,从而解决CKF滤波算法在未知非高斯白噪声干扰下估计精度不高问题。然后,在体育馆基于WSNs网络构建了移动机器人定位实验环境,并结合移动机器人动力学模型,对HCKF、CKF算法的定位精度进行对比。结果显示,在不含噪声干扰和含未知噪声干扰两种情况下,HCKF算法定位精度分别比CKF算法提高7%和15%。     

集中式非线性抗差卡尔曼滤波算法研究*

针对实际中传感器的量测信息异常和传感器之间数据传输的错误时,融合系统中的数据会出现异常值(outlier)的情况,提出了一种集中式非线性卡尔曼滤波算法,该方法应用鲁棒统计理论,通过设计代价函数来对系统的量测噪声方差进行重新构造,并利用标准无味卡尔曼滤波(UKF)的观测更新算法对非线性观测方程进行滤波,该方法无需对观测方程进行线性近似,在保持鲁棒性的同时不损失UKF的滤波精度。通过一个简明实例说明了该方法在量测出现异常值的情况下依然能对目标进行有效的跟踪滤波,鲁棒性和滤波精度优于传统的Huber鲁棒跟踪方法。     

基于因子图结合卡方检测的多AUV协同定位方法

针对复杂的水下环境导致水声通信噪声出现异常值的问题,提出一种基于因子图结合卡方检测的多AUV协同定位算法。建立因子图模型将全局函数估计问题转化为局部函数和积估计问题,利用卡方检测测距噪声异常值。所提算法在测距噪声存在异常值情况下,与传统Kalman滤波算法相比定位误差大幅减小。该研究进行了数学仿真验证,验证了所提算法可以有效提高系统的定位稳定性,处理测距噪声异常值对定位性能的影响。     

基于变中心互相关熵的比例自适应滤波算法研究

针对传统自适应滤波算法对于非零均值非高斯噪声干扰环境下稀疏系统参数估计存在稳态精度低的问题,以变中心互相关熵为代价函数,引入比例更新机制,应用随机梯度法设计一种新的稀疏自适应滤波算法。变中心互相关熵的中心可位于任何位置,其可很好地匹配非零均值的误差分布,而比例更新机制为每个权值参数赋予可变的步长参数,因此可增强算法的跟踪能力。进一步设计在线学习方法来估计核宽度和中心位置,以提高算法性能。另外根据能量守恒关系研究了算法的收敛性。仿真实验结果表明,该算法相对于传统自适应滤波算法对于非零均值非高斯噪声环境下的稀疏参数估计具有明显的优越性和鲁棒性。     

Robust derivative-free Kalman filter based on Huber's M-estimation methodology

In this study, a discrete-time robust nonlinear filtering algorithm is proposed to deal with the contaminated Gaussian noise in the measurement, which is based on a robust modification of the derivative-free Kalman filter. By interpreting the Kalman type filter (KTF) as the recursive Bayesian approximation, the innovation is reformulated capitalizing on the Huber's M-estimation methodology. The proposed algorithm achieves not only the robustness of the M-estimation but also the accuracy and flexibility of the derivative-free Kalman filter for the nonlinear problems. The reliability and accuracy of the proposed algorithm are tested in the Univariate Nonstationary Growth Model.     

基于Huber的鲁棒广义高阶容积卡尔曼滤波算法

为提高随机变量非高斯分布时广义高阶容积卡尔曼滤波(GHCKF)的鲁棒性,提出一种基于Huber的鲁棒GHCKF算法.从近似贝叶斯估计角度,解释Huber方法作用于卡尔曼滤波的本质是对新息进行截断平均.采用Huber方法处理观测量,进行标准的GHCKF量测更新,从而实现算法的鲁棒化.所提出算法充分利用容积变换的优势,无需通过统计线性回归模型对系统的非线性量测模型进行近似.仿真结果表明,所提出算法具有鲁棒性强和估计精度高的特点.     

自适应高斯粒子滤波在导航中的应用

针对粒子滤波中重要性密度函数难以选取和粒子退化导致的计算精度下降的问题,提出一种新的自适应高斯粒子滤波算法。通过高斯混合密度函数和UT变换来获取状态均值和协方差阵,选择并计算合适的自适应因子来调节均值和方差,在迭代过程中可动态调节重要性密度函数,并用WEM和EM步骤代替重采样,上述滤波算法考虑了最新量测信息的影响,使滤波性能明显改善,能更好地解决非线性非高斯系统模型的抗干扰问题。将提出的算法应用于SINS/GPS组合导航系统跑车试验中,结果表明上述滤波算法能提高导航解算的精度,其性能明显优于已有滤波,同时验证了当系统出现噪声干扰突然变化时提出算法的有效性。     

Robust unscented Kalman filter with adaptation of process and measurement noise covariances

Unscented Kalman filter (UKF) has been extensively used for state estimation of nonlinear stochastic systems, which suffers from performance degradation and even divergence when the noise distribution used in the UKF and the truth in a real system are mismatched. For state estimation of nonlinear stochastic systems with non-Gaussian measurement noise, the Masreliez–Martin extended Kalman filter (EKF) gives better state estimates in relation to the standard EKF. However, the process noise and the measurement noise covariance matrices should be known, which is impractical in applications. This paper presents a robust Masreliez–Martin UKF which can provide reliable state estimates in the presence of both unknown process noise and measurement noise covariance matrices. Two numerical examples involving relative navigation of spacecrafts demonstrate that the proposed filter can provide improved state estimation performance over existing robust filtering approaches. Vision-aided robot arm tracking experiments are also provided to show the effectiveness of the proposed approach.     

基于均差滤波与高斯和的非线性非高斯系统滤波算法

针对一类非线性非高斯系统的滤波问题,在分析均差滤波算法和高斯和滤波算法的基础上,提出一种基于均差滤波的高斯和滤波算法,适于处理非线性非高斯系统的滤波问题.对于似然密度位于条件转移概率密度拖尾处的情况,与传统的粒子滤波算法相比,所提算法能提高滤波的精度和实时性.仿真实验验证了新算法的有效性.     

适用处理非高斯观测噪声的强跟踪卡尔曼滤波器

在高斯噪声条件下,卡尔曼滤波器(KF)能够获得系统状态的一致最小方差线性无偏估计.但当噪声非高斯,KF性能将严重下降.观测噪声非高斯现象在深空探测自主导航中经常遇到,然而现有模型可能存在着精度不高、稳定性不强或者计算复杂度较高的缺点.针对这种现状,本文在传统强跟踪卡尔曼滤波器(STKF)中新息正交原则的基础上,推导了适用处理非高斯观测噪声的强跟踪卡尔曼滤波器(STKFNO),并将其嵌入到无迹卡尔曼滤波(UKF)框架下形成适用处理非线性系统非高斯观测噪声的强跟踪无迹卡尔曼滤波器(STUKFNO).所提出的算法被应用到深空光学自主导航系统中,仿真结果表明所提出的算法能够较好地应对观测噪声的非高斯性.