CN115355910A - 一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法 - Google Patents
一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115355910A CN115355910A CN202210955452.XA CN202210955452A CN115355910A CN 115355910 A CN115355910 A CN 115355910A CN 202210955452 A CN202210955452 A CN 202210955452A CN 115355910 A CN115355910 A CN 115355910A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sigma
- sigma point
- point set
- estimation
- state
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Complex Calculations (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,属于滤波算法领域;具体为:首先,选择弹道再入目标平面模型的状态估计均值为中心点,根据状态的估计方差,进行UT变换,得到2n+1个一级Sigma点;然后,以每个一级Sigma点为中心点,分别进行UT变换,并根据状态协方差矩阵Pzz,k+1自适应调节Sigma点集的散布范围,计算得到对应的2n+1个二级Sigma点集;最后,通过Sigma点集估计效果评估算法,使用标量化后的新息表征二级Sigma点集逼近于真实观测量的程度,并选择标量化新息最小的二级Sigma点集或一级Sigma点集作为估计精度最优的Sigma点集,用于计算卡尔曼增益,更新状态估计。本发明有更好的收敛速度与稳定性,且基于Sigma点集对称分布的特性,降低了一定的计算量,不影响滤波算法的估计效果。
Description
技术领域
本发明属于滤波算法领域,涉及一种基于二级Sigma点的UKF(Unscented KalmanFilter,无迹卡尔曼滤波)滤波算法。
背景技术
对状态进行快速准确的估计在导航定位中具有重要意义;UKF滤波算法使用Sigma点采样的方法近似非线性概率分布,其算法核心是使用UT变换来处理均值和协方差的非线性传递。许多导航定位模型具有很强的非线性关系,当强非线性系统的滤波初值偏差较大时,UKF算法收敛速度将变慢,甚至容易发散。
当系统为强非线性时,滤波算法对当前状态的估计误差更加敏感,克服当前状态的估计误差对算法产生的不良干扰的方法包括:扩大UT变换中Sigma点集的范围、更新系统当前状态的估计均值与误差协方差。
扩大Sigma点集的范围虽然能够更准确地表现真实状态,但是受到方程非线性的限制,Sigma点集的范围不能过大;二级Sigma点的UKF算法在一级Sigma点集的基础上计算二级Sigma点,从而计算多组状态估计的均值与误差协方差,经筛选能够在不增大Sigma点集的基础上,提高算法的估计速度与稳定性。
弹道再入目标平面模型为典型的非线性模型,以弹道再入目标平面模型为例,由于其受初始状态估计偏差的影响,标准UKF算法收敛速度慢易发散。
发明内容
针对系统模型为强非线性且滤波初值偏差较大时,UKF算法收敛速度慢易发散的问题,本发明提供了一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,以弹道再入目标平面模型为例,实现对强非线性系统的最优估计,具有收敛速度快、稳定性好的优点。
所述基于二级Sigma点的UKF滤波算法,通过以下步骤实现:
首先,选择弹道再入目标平面模型的状态估计均值为中心点,根据状态的估计方差,进行UT变换,得到(2n+1)个一级Sigma点;n为状态变量的维数;
然后,以每个一级Sigma点为中心点,分别进行UT变换,并根据方差Pzz,k+1自适应调节Sigma点集的散布范围,计算得到多组二级Sigma点集;
最后,使用标量化后的新息表征二级Sigma点集逼近于真实观测量的程度,并选择标量化新息最小的二级Sigma点集或一级Sigma点集作为估计精度最优的Sigma点集,用于计算卡尔曼增益,更新状态估计。
进一步,本发明还设计了二级Sigma点的UKF滤波算法的简化计算方法,利用Sigma点的对称分布性,减少计算二级Sigma点集的数量,进一步减少算法的计算量。
本发明的优点和积极效果在于:
(1)本发明一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,简单易行,用于强非线性系统,在滤波初值不准的情况下,基于二级Sigma点的UKF滤波算法较标准UKF算法,有更好的收敛速度与稳定性。
(2)本发明一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法的简化计算方法,考虑到计算量的影响,基于Sigma点集对称分布的特性,能够降低一定的计算量,且不影响滤波算法的估计效果。
附图说明
图1是本发明构建二级Sigma点的UKF滤波算法的原理图;
图2是本发明一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法的流程图;
图3是本发明基于二级Sigma点的UKF滤波算法与标准UKF滤波算法的滤波结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的技术方案。
本发明一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,包括二级Sigma点集计算算法、新息标量化算法、Sigma点集估计效果评估算法、简化计算的Sigma点估计效果评估算法以及基于二级Sigma点集的后验估计算法。
如图1所示,以二维状态变量为例,所绘制的基于二级Sigma点的UKF滤波算法的基本原理是:通过计算二级Sigma点集,能够将UT变换的中心点移动到靠近真实值的位置,从而提高滤波算法的收敛速度与稳定性。
具体为:对于非线性程度强的系统,通过二级Sigma点集计算算法,在一级Sigma点的基础上计算二级Sigma点集。通过新息标量化算法,将观测新息转化为标量,便于直观分析。通过Sigma点集估计效果评估算法,根据二级Sigma点集逼近于真实观测量的程度,选取最优二级Sigma点集,用于后续卡尔曼滤波算法中状态的先验估计,从而提高了非线性传递函数的转化精度。通过基于二级Sigma点集的后验估计算法更新滤波算法的状态估计。
此外,通过简化计算的Sigma点估计效果评估算法,对Sigma点对称分布这一特性加以利用,能够减少计算二级Sigma点的数量,从而减少基于二级Sigma点的UKF滤波算法的计算量;
整个滤波算法应用于强非线性系统,能够将标准UKF滤波算法原本偏离的状态估计收敛到真值。尤其在初值不准确的情况下,该基于二级Sigma点的UKF滤波算法较标准UKF有明显的改进。
本发明基于二级Sigma点的UKF滤波算法,流程图如图2所示,具体内容如下:
步骤一:设置滤波的当前状态,选择弹道再入目标平面模型的当前状态估计为中心点,得到Sigma点集为一级Sigma点集;
具体过程为:
步骤二:通过二级Sigma点计算算法,以一级Sigma点集内的样本点作为中心点,进行UT变换,得到2n+1个二级Sigma点集,n为状态的维数;
具体为:
式(5)-(8)中,i=1,2,...,n;kj表示尺度因子缩放系数,用于调节二级Sigma点的散布范围;若状态变量取值在二级Sigma点集附近对抖动较为敏感,则减小尺度因子缩放系数kj,减小二级Sigma点的散布范围,反之则增加尺度因子缩放系数kj,增加二级Sigma点的散布范围。因此,尺度因子缩放系数kj能够根据模型的非线性程度自适应缩放Sigma点的散布范围;Sigma点的散布范围越小,UT变换的精度越高。
使用方差Pzz,k+1对角线上的元素代表状态变量在Sigma点集附近对抖动的敏感程度,当方差Pzz,k+1(j,j)较大时,表示j维状态变量在Sigma点集附近对抖动的敏感程度变强,当方差Pzz,k+1(j,j)较小时,表示j维状态变量在Sigma点集附近对抖动的敏感程度变弱。
因此设定尺度因子缩放系数kj的调节率,如式(9)
式(9)中,P0和P1分别表示误差协方差Pzz,k+1的阈值,为防止尺度因子缩放系数kj过大或过小,kj0是尺度因子的上界,kj1是尺度因子的下界。
步骤三:通过新息标量化算法,计算2n+1个二级Sigma点集,以及每个二级Sigma点集的转换为标量的观测变量的新息。
具体为:
λ=α2(n+κ)-n (14)
步骤四:通过Sigma点集估计效果评估算法,根据标量化的观测新息,选择出估计精度最好的Sigma点集,用于后续卡尔曼滤波算法中状态的先验估计的均值与方差。
步骤五:基于二级Sigma点集的后验估计算法,计算新息与卡尔曼增益,对先验估计进行调节,输出滤波结果。
Wc (j)为计算协方差Pxz,k+1、Pzz,k+1的权重,Rk+1为测量噪声协方差矩阵。
另外,本发明基于简化计算的Sigma点估计效果评估算法,根据一级Sigma点扩展的方向进行分类,将扩展方向相同或相反的一级Sigma点集分为同一类,共分成n类,其中n表示系统的状态的维数,每类一级Sigma点表示为:
式(22)中,i表示状态变量的第i维,
i=1,2,...,n (24)
m=0,1,2,...,n (30)
根据式(24)选取中三个Sigma点距离系统真实状态的程度选择其中的某一个Sigma点,忽略了UT变换中均值的阶数大于1的项,因此丧失了一定的判断Sigma点距离系统真实状态的程度的准确性,但是在一定程度上,依然能够选择比一级Sigma点效果更好的二级Sigma点,对较偏的初值起到矫正作用。
实施例中:
采用弹道再入目标模型,分别使用标准UKF与基于二级Sigma点的UKF算法,滤波结果如图3所示。本发明应用于强非线性系统,能够将标准UKF偏离的状态估计收敛到真实状态。尤其在初值不准确的情况下,该基于二级Sigma点的UKF滤波算法较标准UKF有明显的改进。
Claims (6)
1.一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,其特征在于,具体步骤为:
首先,选择弹道再入目标平面模型的状态估计均值为中心点,根据状态的估计方差,进行UT变换,得到2n+1个一级Sigma点,n为状态变量的维数;
然后,以每个一级Sigma点为中心点,分别进行UT变换,并根据方差Pzz,k+1自适应调节Sigma点集的散布范围,计算得到对应的2n+1个二级Sigma点集;
最后,通过Sigma点集估计效果评估算法,使用标量化后的新息表征二级Sigma点集逼近于真实观测量的程度,并选择标量化新息最小的二级Sigma点集或一级Sigma点集作为估计精度最优的Sigma点集,用于计算卡尔曼增益,更新状态估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法,其特征在于,所述Sigma点集估计效果评估算法,替换为如下简化计算的Sigma点估计效果评估算法,利用Sigma点的对称分布性进行分类,减少二级Sigma点集的数量,具体为:
首先,根据一级Sigma点扩展的方向进行分类,将扩展方向相同或相反的一级Sigma点集分为同一类,共分成n类,其中n表示系统的状态的维数;
每类一级Sigma点表示为:
i表示状态变量的第i维;
然后,根据采集到的观测信息,计算三类一级Sigma点的中心点距离系统真实状态的程度,选择最接近真值的一级Sigma点为中心点,经UT变换后扩展为n个二级Sigma点集,计算n个二级Sigma点集转化为标量后的观测变量的新息;根据转化为标量后的观测变量的新息,自适应选择估计精度最好的Sigma点集。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2021111979190 | 2021-10-14 | ||
CN202111197919 | 2021-10-14 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115355910A true CN115355910A (zh) | 2022-11-18 |
Family
ID=84001205
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210955452.XA Pending CN115355910A (zh) | 2021-10-14 | 2022-08-10 | 一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115355910A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118033409A (zh) * | 2024-04-15 | 2024-05-14 | 三峡金沙江川云水电开发有限公司 | 一种gcb灭弧室开关电阻测试方法 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102540216A (zh) * | 2011-11-14 | 2012-07-04 | 北京航空航天大学 | 一种自适应跟踪环路及实现方法 |
CN103383261A (zh) * | 2013-07-02 | 2013-11-06 | 河海大学 | 一种改进型无损卡尔曼滤波室内动目标定位方法 |
US20140149034A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-29 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Apparatus for integrating multiple rate systems and method of operating the same |
CN107607977A (zh) * | 2017-08-22 | 2018-01-19 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于最小偏度单形采样的自适应ukf组合导航方法 |
CN109917292A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-06-21 | 首都师范大学 | 一种基于daupf的锂离子电池寿命预测方法 |
CN110912535A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-24 | 云南大学 | 一种新型无先导卡尔曼滤波方法 |
CN111669150A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-15 | 重庆大学 | 一种基于采样点调整的无迹卡尔曼滤波方法 |
CN113313339A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-08-27 | 贵州大学 | 一种配电网动态状态估计算法 |
-
2022
- 2022-08-10 CN CN202210955452.XA patent/CN115355910A/zh active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102540216A (zh) * | 2011-11-14 | 2012-07-04 | 北京航空航天大学 | 一种自适应跟踪环路及实现方法 |
US20140149034A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-29 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Apparatus for integrating multiple rate systems and method of operating the same |
CN103383261A (zh) * | 2013-07-02 | 2013-11-06 | 河海大学 | 一种改进型无损卡尔曼滤波室内动目标定位方法 |
CN107607977A (zh) * | 2017-08-22 | 2018-01-19 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于最小偏度单形采样的自适应ukf组合导航方法 |
CN109917292A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-06-21 | 首都师范大学 | 一种基于daupf的锂离子电池寿命预测方法 |
CN110912535A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-03-24 | 云南大学 | 一种新型无先导卡尔曼滤波方法 |
CN111669150A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-15 | 重庆大学 | 一种基于采样点调整的无迹卡尔曼滤波方法 |
CN113313339A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-08-27 | 贵州大学 | 一种配电网动态状态估计算法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118033409A (zh) * | 2024-04-15 | 2024-05-14 | 三峡金沙江川云水电开发有限公司 | 一种gcb灭弧室开关电阻测试方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106371610B (zh) | 一种基于脑电信号的驾驶疲劳的检测方法 | |
CN105205313B (zh) | 模糊高斯和粒子滤波方法、装置及目标跟踪方法、装置 | |
Heckman et al. | Comparing the shapes of regression functions | |
CN105719023A (zh) | 一种基于混合高斯分布的风电功率实时预测误差分析方法 | |
CN109900309B (zh) | 一种基于混合状态空间模型的传感器数据盲校正方法 | |
Ikbal et al. | Estimating Weibull parameters using maximum likelihood estimation and ordinary least squares: Simulation study and application on meteorological data | |
CN112308966A (zh) | 基于多级曲率约束的高斯混合模型点云滤波方法 | |
CN118954657B (zh) | 基于动态过滤算法的矿井水微砂分离系统及方法 | |
CN108375374A (zh) | 基于自适应迭代容积粒子滤波的蒙特卡罗定位算法 | |
CN115355910A (zh) | 一种基于二级Sigma点的UKF滤波算法 | |
CN105913078A (zh) | 改进自适应仿射传播聚类的多模型软测量方法 | |
CN111695278B (zh) | 一种基于改进同步扰动随机逼近算法的交通仿真参数校正方法 | |
Li et al. | Angular dependence of multiangle dynamic light scattering for particle size distribution inversion using a self-adapting regularization algorithm | |
CN105117609A (zh) | 一种基于推广型K-Means分类决策的动态称重的方法 | |
Jin et al. | Off-grid doa estimation method based on sparse bayesian learning with clustered structural-aware prior information | |
CN106529393A (zh) | 一种esmd样本熵结合fcm的电磁信号频谱数据分类方法 | |
CN114637956B (zh) | 一种基于双卡尔曼滤波器实现目标位置预测的方法 | |
CN106547899B (zh) | 一种基于多尺度时变聚类中心变化的间歇过程时段划分的方法 | |
Duc et al. | Verification in the presence of observation errors: Bayesian point of view | |
CN108344975A (zh) | 一种利用梯度下降和夹角余弦的联合簇标定方法 | |
Straka et al. | Randomized unscented transform in state estimation of non-Gaussian systems: Algorithms and performance | |
CN115932913A (zh) | 一种卫星定位伪距修正方法及装置 | |
CN111273277B (zh) | 一种预测引导的多扩展目标量测集划分方法 | |
CN111914402B (zh) | 一种基于信号特性和拓扑变化先验的动态拓扑估计系统及方法 | |
Pandhiani et al. | A hybrid model for monthly time series forecasting |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |