基于无偏估计的不敏卡尔曼滤波方法

传统不敏卡尔曼滤波方法(UKF)在对极-直角坐标变换中的误差进行分析时,采用了线性近似的简单方式。当量测方位误差较大时,无法准确估计出实际的直角坐标位置与误差协方差矩阵。针对该问题,本文提出了基于无偏估计的UKF(UKF-U),以抑制方位误差对估计结果的影响。仿真实验结果表明,本文方法可有效降低方位误差影响,提升目标跟踪的定位精度。     

基于交互式多模型的不敏卡尔曼概率假设密度滤波算法

针对非线性高斯场景下目标数目未知或随时间变化的机动多目标跟踪问题, 提出一种基于交互式多模型的不敏卡尔曼概率假设密度滤波算法.首先, 在高斯混 合概率假设密度滤波框架下, 结合不敏卡尔曼滤波中状态预测和量测更新的实现机理, 构建一种不敏卡尔曼概率假设密度滤波器; 然后, 通过引入交 互式多模型方法中状态模型软判决机制, 实现对目标机动过程中运动模式不确定的处理; 最后, 通过理论分析和仿真结果验证了所提出算法的可行性和有效性.     

伪线性卡尔曼滤波在目标被动跟踪中的应用

在对目标进行纯方位跟踪时,伪线性卡尔曼滤波算法是一种有效的跟踪滤波方法,该方法可以很好地对目标运动状态进行估计。通过仿真证明了该方法降低了对模型精度的要求,具有较好的稳定性。     

漂移瑞利滤波算法及其在纯方位跟踪中的应用

单传感器纯方位跟踪问题仍是目前研究的重点和难点,方位角变化率很大时往往使得扩展卡尔曼滤波等矩匹配算法不稳定或发散。重点研究漂移瑞利滤波算法在方位角变化率很大的复杂单传感器纯方位目标跟踪场景下的性能,比较了漂移瑞利滤波,扩展卡尔曼滤波,不敏卡尔曼滤波,粒子滤波等其他非线性跟踪算法的性能,推导并计算了相关问题的Cramer-Rao下界并将其用作比较估值准确性和衡量算法性能的评价指标。仿真结果表明:漂移瑞利滤波算法的性能优于其他矩匹配算法,能达到与粒子滤波大体相同的计算精度,但它的计算速度比粒子滤波算法快几个数量级。     

强跟踪求积分卡尔曼滤波算法

在非线性系统滤波问题中,可能出现真实系统和滤波模型不匹配的现象,而标准形式的求积分卡尔曼滤波器对于这种具有模型不确定性系统的鲁棒性较差、滤波精度降低的问题。针对该问题,结合强跟踪滤波器的思想,提出了强跟踪求积分卡尔曼滤波算法。通过引入衰减因子对当前时刻的状态预测协方差矩阵进行修正,使得不同时刻的残差序列保持正交,减弱先前滤波结果对当前滤波过程的影响,增强量测值的作用,减弱模型的作用,克服模型的不确定性对滤波结果的影响。仿真结果表明,在具有模型不确定性情况的非线性滤波问题中,该算法与标准形式的求积分卡尔曼滤波算法相比,能够获得更高的滤波精度。     

基于平方根求积卡尔曼滤波器的弹道目标跟踪

针对再入阶段的弹道目标跟踪问题,提出运用平方根求积卡尔曼滤波器(SRQKF)估计目标的状态.所提出的算法是求积卡尔曼滤波(QKF)算法的平方根实现.该算法传播了目标状态的均值和协方差的平方根,确保了协方差矩阵的对称性和半正定性,改进了数值精度和稳定性,但其计算复杂性稍有增加.仿真实验表明,所提出算法的估计精度优于QKF算法和扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,是一种很有效的非线性滤波方法.     

无味变换与无味卡尔曼滤波

综述了非线性估计问题的由来、无味变换（UT,Unscented Transformation）的基本思路与基本算法、各种衍变形式、σ点集的设计原则、无味卡尔曼滤波（UKF,Unscented Kalman Filtering）的基本算法及其各种改进算法、UT的本质、UKF与几种免微分非线性滤波方法的比较、UT与UKF的相关应用、针对几种UKF算法的仿真实例,以及目前在UT与UKF的研究中尚存在的一些问题和对今后研究的展望等;提出了笔者的一些最新研究成果和见解。     

基于UIMMS的多站雷达机动目标跟踪研究

针对多站雷达量测机动目标跟踪问题,提出了一种将平滑方法运用于典型的交互式多模型结构的跟踪算法。首先介绍了卡尔曼平滑器(KS),比较了不敏卡尔曼滤波(UKF)和不敏卡尔曼平滑(UKS)两种方法,引入并分析比较了IMMF和IMMS方法。同时,针对目标机动特性以及多雷达量测带来的非线性等问题,构造了多部雷达跟踪机动目标场景,进行了典型方法的比较和新方法的验证,实验结果验证了新方法的有效性。     

几种滤波器跟踪性能的比较

现阶段,卡尔曼滤波是信息融合领域中广泛使用的融合算法,它在线性高斯模型下能得到最优估计,但在非线性非高斯的模型下不能达到理想的效果.在这种情况下,非线性目标跟踪已被人们广泛重视.扩展卡尔曼滤波器(EKF)是将卡尔曼滤波器(KF)进行Taylor展开,算法简单,计算快捷,适用于非线性程度不强,高斯的环境下.不敏卡尔曼滤波(UKF)是先对状态向量的后验概率密度函数(PDF)进行近似化然后再在标准卡尔曼滤波框架下进行递推滤波.粒子滤波是一种基于蒙特卡罗模拟和递推贝叶斯估计的滤波方法.这种滤波的方法和其他滤波的方法一样,都是可以通过系统的模型方程从测量空间一步步递推得到其相应的状态空间.它可以处理模型方程为非线性、噪声分布为非高斯分布的问题,在许多领域得到了成功的应用.论文中通过仿真试验,进行跟踪性能的比较,结果证明在复杂的非高斯非线性环境中,粒子滤波器的性能要明显优于扩展卡尔曼滤波器.     

基于集合卡尔曼滤波的线性目标跟踪算法

针对目标跟踪系统的非线性问题,将集合预报思想和卡尔曼滤波技术相结合,提出了基于集合卡尔曼滤波的非线性目标跟踪算法,讨论了初始集合的不同选择对跟踪性能带来的影响,实现了与其它常用非线性跟踪算法间的比较.利用到达角和多普勒频率测量数据实现非线性系统中目标跟踪,验证了算法的有效性和可行性.仿真结果表明集合卡尔曼滤波技术能够应用到非线性目标跟踪系统中,并且计算复杂度较低,具有很好的跟踪性能.     

含有多普勒频率的无迹卡尔曼滤波

针对扩展卡尔曼滤波不含多普勒频率和非线性的缺陷,提出一种新的含有多普勒频率的无迹卡尔曼滤波算法。新算法通过推导观测向量和状态向量之间的函数关系,结合无迹卡尔曼滤波思想,使滤波结果较扩展卡尔曼滤波算法具有更高的精度。最后对新老算法进行了仿真对比分析,结果表明了新算法的有效性和合理性。     

迭代无味卡尔曼滤波器

通过对无味卡尔曼滤波器(Unscented Kalman filter,UKF)的误差进行分析,提出了迭代UKF(IUKF)算法.该基本思路是用测量更新后的状态估计去重新对状态量和观测量的一步预测,然后再次应用LMMSE估计子估计状态量的均值和协方差阵,如此多次迭代后的滤波估计输出具有更高的精度和更小的方差,故滤波器表现出更好的一致性.Monte Carlo仿真表明,IUKF主要应用于观测噪声较小的场合,其中的迭代只需进行2～3次即可.     

一种基于改进UKF的3D人手跟踪算法

将手指作为基本处理对象,对UKF（unscented Kalman filter）算法进行改进,并利用它对当前手指各关节进行预测;以预测值作为初值,用局部搜索技术对误差较大的关节用改进的UKF算法重新进行预测,直到该手指在像平面上的投影轮廓和图像轮廓之间的距离图满足指定的精度为止．该算法以状态变量量测值的获取作为突破口,解决现有算法中跟踪精度过分依赖于3D人手模型精度的问题．实验结果表明,该算法具有较强的处理局部自遮挡问题能力,对3D人手模型的不精确性也具有更好的鲁棒性．     

双层无迹卡尔曼滤波

针对无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman fllter,UKF）在强非线性系统中估计效果差的问题,提出了双层无迹卡尔曼滤波（Double layer unscented Kalman filter,DLUKF）算法,该算法用带权值的采样点表征先验分布,而后用内层UKF算法对每个采样点进行更新,最后引入外层UKF算法的更新机制得到估计值和估计协方差.仿真结果表明,相比于传统算法,所提的DLUKF算法可以在较低计算负载下获得较高滤波估计精度.     

基于无迹卡尔曼滤波的无人机毫米波波束跟踪算法

针对无人机收发端相对运动导致毫米波窄波束无法实时匹配这一问题,提出一种基于无迹卡尔曼滤波的三维波束跟踪方法。该方法首先将波束的俯仰角和方位角作为系统状态向量,对其进行无迹变换,获得采样点集。而后,根据采样点集计算出状态预测值和测量预测值,并以此为基础,根据计算出的卡尔曼增益更新状态向量,获得状态向量的最优估计值。仿真结果表明,此方法满足了无人机实时波束跟踪需求,有效地提高了三维环境下毫米波窄波束的跟踪精度。     

Cubature 卡尔曼滤波与Unscented 卡尔曼滤波估计精度比较

对于不同维数下非线性系统的估计问题,为从常用的Unscented卡尔曼滤波(UKF)和Cubature卡尔曼滤波(CKF)中选取合适的滤波方法,从函数泰勒展开式和数值稳定性上对其进行了分析和比较.由于不同维数下它们捕获函数泰勒展开式高阶项的程度和数值稳定性不同,两者滤波精度出现差异,从而得到了不同维数下滤波方法的选择途径.仿真结果验证了理论分析的正确性.     

An Improved Dual Unscented Kalman Filter for State and Parameter Estimation

A dual unscented Kalman filter (DUKF) is used to estimate the state and the parameter simultaneously via two parallel unscented Kalman filters. The original DUKF usually has performance degradation as a result of assuming the control inputs of each filter are constant, which usually are disturbance inputs or systematic measurement errors in the control system. An improved dual unscented Kalman filter (IDUKF) with random control inputs and sequential dual estimation structure is derived and applicable to the system in which the parameter is linearly observed and uncorrelated with the state. The accuracy, observability, and computational efficiency of the new filter are discussed. Then, the expansibility of the IDUKF for nonlinear parameter observed substructures is investigated. Finally, two simulation experiments about space target tracking and typical time series filtering are shown. The theoretical analyses and simulation results demonstrate the following. (1) the IDUKF can obtain higher accuracy than the original DUKF and a comparative accuracy with the JUKF (joint unscented Kalman filter) when the state and the parameter are not strongly correlated; (2) the IDUKF has better applicability than the DUKF when the state is correlated with the unknown parameter; (3) when the modeling error is not ignorable, the IDUKF is more robust and more accurate than the JUKF due to lower sensitivity to the modeling error.     

有限时间一致无迹Kalman滤波器

本文研究多个传感器测量非线性系统时的分布式无迹Kalman滤波器(Unscented Kalman filter, UKF)的设计问题.借助离散多智能体系统有限时间平均一致算法的思想, 针对无向通信和有向通信网络分别设计了两种不同的滤波算法.对于无向连通的通信拓扑, 利用节点存储的一致性算法的迭代值构造差向量, 由该差向量构成的Hankel矩阵的核来得到分布式无迹Kalman滤波器, 并通过利用误差协方差矩阵的逆来构造Lyapunov函数, 基于随机稳定性引理证明了该有限时间一致无迹Kalman滤波器的稳定性.对于有向强连通的通信拓扑, 结合比率一致和Hankal矩阵的核来设计分布式无迹Kalman滤波器, 该滤波器的稳定性与无向通信拓扑的滤波器相同.最后, 通过仿真例子来验证所提滤波器的跟踪效果.     

Unscented Kalman filtering in the additive noise case

The unscented Kalman filter(UKF) has four implementations in the additive noise case,according to whether the state is augmented with noise vectors and whether a new set of sigma points is redrawn from the predicted state(which is so-called resampling) for the observation prediction.This paper concerns the differences of performances for those implementations,such as accuracy,adaptability,computational complexity,etc.The conditionally equivalent relationships between the augmented and non-augmented unscente...     

Unscented and square‐root unscented Kalman filters for quaternionic systems

Proper construction of an unscented Kalman filter (UKF) for unit quaternionic systems is not straightforward due to the incompatibility between the algebraic properties of the unit quaternions and the common real vector space operations (additions and scalar multiplications) needed in the steps of a filter algorithm. This work studies, in detail, all UKFs and square‐root UKFs for quaternionic systems proposed in the literature. First, we classify the algorithms according to the preservation of the unity norm of the quaternion variables. Second, we propose two new algorithms: the quaternionic additive unscented Kalman filter (QuAdUKF) and a square‐root variant of it. The QuAdUKF encompasses all known UKFs for quaternionic systems of the literature preserving, in all steps, the norm of the unit quaternion variables. Besides, it can also yield new UKFs with this norm preservation property. The QuAdUKF's square‐root variant has better properties in comparison with all the square‐root UKFs for quaternionic systems of the literature. Numerical experiments for a spacecraft attitude estimation problem illustrate the theoretical results.