卡尔曼滤波器总结
倾角卡尔曼滤波-概述说明以及解释
倾角卡尔曼滤波-概述说明以及解释1.引言1.1 概述倾角卡尔曼滤波是一种用于测量倾角的方法，它结合了倾角测量与卡尔曼滤波原理。
倾角的测量在许多领域中都是非常重要的，例如航空航天、导航系统以及工业自动化等。
倾角的准确测量可以帮助我们判断物体的姿态、稳定性以及对周围环境做出合适的调整。
然而，由于当前倾角传感器本身存在一定的误差和干扰，因此需要采用合适的滤波算法来对倾角进行精确估计和校正。
在这方面，倾角卡尔曼滤波是一种被广泛应用的方法。
倾角卡尔曼滤波算法基于卡尔曼滤波原理，通过对倾角的测量数据进行预测和更新，以得到更加准确、稳定的倾角估计值。
它利用了传感器测量数据的统计特性和系统模型的动态特性，通过权衡预测值和测量值的不确定性来对倾角进行优化估计。
相比其他滤波算法，倾角卡尔曼滤波具有以下优势：首先，它能够有效地抑制传感器数据中的噪声和干扰，并能够适应不同程度的噪声；其次，它具有较高的估计精度和稳定性，能够准确地跟踪目标物体的倾角变化；最后，倾角卡尔曼滤波算法具有较快的收敛速度和较低的计算复杂度，适用于实时应用场景。
未来，倾角卡尔曼滤波在自动化控制、导航系统等领域具有广阔的应用前景。
随着技术的不断进步和创新，倾角卡尔曼滤波算法将更加成熟和精确，为各行各业提供更加可靠和准确的倾角测量方法。
同时，倾角卡尔曼滤波的应用也将得到进一步的拓展，为我们创造更多便利和可能性。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下:文章结构部分的目的是为了向读者介绍本文的大致结构和内容安排。
本文将按照以下方式进行组织和撰写:第一部分是引言，主要包括概述、文章结构和目的三个小节。
在概述部分，会简要介绍倾角卡尔曼滤波的背景和重要性，引起读者的兴趣。
在文章结构部分，将详细说明本文的结构安排，以便读者能够清楚地了解整篇文章的内容。
在目的部分，将明确本文的目标和意义，为读者提供一个阅读的导向。
第二部分是正文，主要包括倾角测量方法和卡尔曼滤波原理两个小节。
卡尔曼滤波器原理之基本思想（一）
卡尔曼滤波器原理之基本思想（⼀）⼀、卡尔曼滤波器要解决的问题 ⾸先说⼀下卡尔曼滤波器要解决的是哪⼀类问题，这类系统应该如何建模。
这⾥说的是线性卡尔曼滤波器，顾名思意，那就是线性动态的离散系统。
这类系统可以⽤如下两个⽅程来表⽰：\[\begin{array}{l}x(n + 1) = {\bf{F}}(n + 1,n)x(n) + {v_1}(n) \\y(n) = {\bf{C}}(n)x(n) + {v_2}(n) \\\end{array}\] 其中： x(n)表⽰系统的状态 F（n+1,n)为状态转移矩阵，表⽰状态随时间的变化规律。
通俗的讲，从当前状态到下⼀个状态之间有什么关系。
C(n)表⽰观测值与状态的关系 y(n)表⽰状态的观测值 v1表⽰系统过程的噪声 v2表⽰观测过程中产⽣的噪声 上⾯的两个⽅程中，第⼀个⽅程是过程⽅程，它表⽰系统状态x(n)随时间的更新过程。
第⼆个⽅程为测量⽅程，表⽰状态x(n)与测量结果y(n)的关系。
这⾥我们要先对这两个⽅程中的概念做下解释。
⾸先解释下状态这个概念。
状态是对系统特征进⾏的⼀个抽象，由预测系统未来特性时所需要的、与系统过去⾏为有关的最少数据组成。
这个概念不好理解吧！那么举个例⼦。
相信不少朋友在⽹上看到过有⼈拿来讲述卡尔曼滤波原理。
这⾥房间⾥真实的温度就是状态，它可以是⼀个参数，也可以是多个参数。
那么，⽤温度计测出来的值，就是这⾥的观测值y(n)。
再说⼀个例⼦，假如我们要对⼀个运动的物体进⾏跟踪，那么，物体的位移和速度完全可以表⽰这个运动物体所组成的系统的主要特征。
这时的状态就可以⽤⼀个具有位移和速度两个特征的向量来表⽰。
解释到这⾥，相信很多朋友已经正确理解了状态这个概念，它表⽰的是系统客观存在的真实特征。
再说⼀下系统状态与其观测值之间为什么有C(n)的存在，这⾥它表⽰的是观测值与状态的关系。
再拿室内测度测量来举例⼦，室内客观真实温度（未知量）做为这个系统中的状态，⽤温度计来测量这个状态。
卡尔曼滤波原理
卡尔曼滤波原理
卡尔曼滤波是一种用于估计系统状态的递归滤波器。
它可以通过组合系统的测量值和模型的预测值来提供对状态的最优估计。
卡尔曼滤波器首先利用系统的数学模型预测下一个状态，并计算预测值与实际测量值之间的差异。
然后，通过加权这些差异，卡尔曼滤波器可以生成对当前状态的最佳估计。
卡尔曼滤波的核心原理是“最小均方误差”。
它假设系统状态和观测都是高斯分布，然后尝试寻找最小均方误差的估计值。
通过选择合适的权重，卡尔曼滤波器可以在预测值和测量值之间找到一个平衡，从而提供最佳的估计结果。
卡尔曼滤波器由两个主要步骤组成：预测和更新。
在预测步骤中，卡尔曼滤波器使用系统模型和先前的状态估计来预测下一个状态。
然后，在更新步骤中，卡尔曼滤波器将测量值与预测值进行比较，并使用加权平均法来更新状态估计。
通过周期性地重复这两个步骤，卡尔曼滤波器可以连续地提供对系统状态的估计。
卡尔曼滤波器在估计问题中广泛应用，特别是在传感器融合、航空航天和导航系统中。
它能够有效地处理噪声和不确定性，并在给定系统模型和测量信息的情况下提供最优的状态估计。
联邦卡尔曼滤波原理
联邦卡尔曼滤波原理引言：联邦卡尔曼滤波（Federated Kalman Filtering）是一种用于多个分布式传感器数据融合的滤波算法。
与传统的中央集权式滤波算法不同，联邦卡尔曼滤波将传感器数据分布式处理，通过信息交换和融合，实现更准确的状态估计。
本文将介绍联邦卡尔曼滤波的基本原理和应用。
一、卡尔曼滤波简介卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，通过使用系统的动力学模型和观测模型，根据先验信息和测量结果，对系统状态进行估计和预测。
卡尔曼滤波在估计问题中广泛应用，特别是在控制和导航领域。
二、联邦卡尔曼滤波原理联邦卡尔曼滤波是将卡尔曼滤波算法应用于分布式传感器网络中的一种技术。
在传统的中央集权式滤波算法中，所有传感器的数据都通过中心节点进行融合处理，然后得到最终的估计结果。
而联邦卡尔曼滤波则将数据处理过程分布到各个传感器节点中，通过交换信息和融合结果，实现联合估计。
具体实现中，每个传感器节点都有自己的卡尔曼滤波器，负责对本地观测数据进行处理和状态估计。
节点之间通过通信网络交换自身的状态估计和协方差矩阵等信息，从而实现联合估计。
每个节点根据接收到的其他节点的信息，更新自身的状态估计和协方差矩阵，进一步提高估计的准确性。
三、联邦卡尔曼滤波的优势联邦卡尔曼滤波相比于传统的中央集权式滤波算法具有以下优势：1. 高效性：联邦卡尔曼滤波将数据处理过程分布到多个传感器节点中，可以并行处理，提高了滤波算法的计算效率。
2. 鲁棒性：联邦卡尔曼滤波中的每个节点都只处理自身的观测数据，对于某个节点的故障或数据异常不会影响其他节点的估计结果，提高了整个系统的鲁棒性。
3. 隐私保护：联邦卡尔曼滤波中的数据处理过程分布在各个节点中，不需要将原始数据传输到中心节点，从而保护了数据的隐私性。
4. 扩展性：联邦卡尔曼滤波可以方便地扩展到大规模的传感器网络中，只需要增加或减少节点即可，而无需改变整体系统的架构。
四、联邦卡尔曼滤波的应用联邦卡尔曼滤波在许多领域都有广泛的应用，例如：1. 环境监测：联邦卡尔曼滤波可以将多个传感器节点的气象数据进行融合，提高对环境变化的估计精度。
卡尔曼滤波器的五个公式
卡尔曼滤波器的五个公式
卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的五个公式如下：
1. 预测状态：
x̂_k = F_k * x̂_k-1 + B_k * u_k
其中，x̂_k为当前时刻k的状态估计值，F_k为状态转移矩阵，x̂_k-1为上一时刻k-1的状态估计值，B_k为外部输入矩阵，u_k为外部输入。
2. 预测误差协方差：
P_k = F_k * P_k-1 * F_k^T + Q_k
其中，P_k为当前时刻k的状态估计误差协方差矩阵，P_k-1为上一时刻k-1的状态估计误差协方差矩阵，Q_k为系统过程噪声的协方差矩阵。
3. 计算卡尔曼增益：
K_k = P_k * H_k^T * (H_k * P_k * H_k^T + R_k)^-1
其中，K_k为当前时刻k的卡尔曼增益矩阵，H_k为观测矩阵，R_k为观测噪声的协方差矩阵。
4. 更新状态估计值：
x̂_k = x̂_k + K_k * (z_k - H_k * x̂_k)
其中，z_k为当前时刻k的观测值。
5. 更新状态估计误差协方差：
P_k = (I - K_k * H_k) * P_k
其中，I为单位矩阵。
实验报告-卡尔曼滤波
数字信号处理实验报告姓名： 专业: 通信与信息系统 学号: 日期：2015.11实验内容任务一：一连续平稳的随机信号()t x ，自相关函数()tx er -=τ，信号()t x 为加性噪声所干扰，噪声是白噪声，测量值的离散值()k z 为已知，s T s 02.0=，-3.2，-0.8，-14，-16，-17，-18，-3.3，-2.4，-18，-0.3，-0.4，-0.8，-19，-2.0，-1.2，-11，-14，-0.9，-0.8，10，0.2，0.5，-0.5，2.4，-0.5，0.5，-13，0.5，10，-12，0.5，-0.6，-15，-0.7，15，0.5，-0.7，-2.0，-19，-17，-11，-14，自编卡尔曼滤波递推程序，估计信号()t x 的波形。
任务二：设计一维纳滤波器。
（1）产生三组观测数据：首先根据()()()n w n as n s +-=1产生信号()n s ，将其加噪（信噪比分别为20dB ，10dB ，6dB ），得到观测数据() n x 1，() n x 2，() n x 3。
（2）估计() n x i ， 1=i ，2，3的AR 模型参数。
假设信号长度为L ，AR 模型阶数为N ，分析实验结果，并讨论改变L ，N 对实验结果的影响。
实验任务一 1. 卡尔曼滤波原理1.1 卡尔曼滤波简介早在20世纪40年代，开始有人用状态变量模型来研究随机过程，到60年代初，由于空间技术的发展，为了解决对非平稳、多输入输出随机序列的估计问题，卡尔曼提出了递推最优估计理论。
它用状态空间法描述系统，由状态方程和量测方程所组成，即知道前一个状态的估计值和最近一个观测数据，采用递推的算法估计当前的状态值。
由于卡尔曼滤波采用递推法，适合于计算机处理，并且可以用来处理多维和非平稳随机信号，现已广泛应用于很多领域，并取得了很好的结果。
卡尔曼滤波一经出现，就受到人们的很大重视，并 在实践中不断丰富和完善，其中一个成功的应用是设计运载体的高精度组合导航系统。
卡尔曼滤波器的优缺点
卡尔曼滤波器的优点主要包括：适用于线性系统：卡尔曼滤波器特别适用于线性系统的状态估计，因为它的递归算法能够在线性系统中实现最优估计。
计算效率高：卡尔曼滤波器在估计过程中不需要存储所有的数据，只需要当前和前一时刻的状态，因此计算效率较高。
适用于多维数据：卡尔曼滤波器可以扩展到多维状态空间，因此可以用于处理多传感器、多目标跟踪等问题。
然而，卡尔曼滤波器也存在一些局限性：要求系统具有线性特性：卡尔曼滤波器要求系统具有线性特性，对于非线性系统，需要采用扩展卡尔曼滤波器等改进方法，但这些方法精度和稳定性可能受到影响。
对初值和参数敏感：卡尔曼滤波器的估计结果对初值和参数的选择非常敏感，如果初值或参数选择不当，可能会导致估计结果不稳定或不准确。
对噪声模型的要求：卡尔曼滤波器要求噪声服从高斯分布，如果噪声不服从高斯分布，可能会导致估计结果失真。
对系统动态模型的要求：卡尔曼滤波器要求系统动态模型是已知的，并且是准确的，如果模型不准确或存在误差，可能会导致估计结果不准确。
卡尔曼滤波器讲解
1.绪论1.1 概述在滤波器的发展过程中，早期的维纳滤波器涉及到对不随时间变化的统计特性的处理，即静态处理。
在这种信号处理过程中，有用信号和无用噪声的统计特性可与它们的频率特性联系起来，因此与经典滤波器在概念上还有一定的联系。
由于军事上的需要，维纳滤波器在第二次世界大战期间得到了广泛的应用。
但是，维纳滤波器有如下不足之处：第一，必须利用全部的历史观测数据，存储量和计算量都很大；第二，当获得新的观测数据时，没有合适的递推算法，必须进行重新计算；第三，很难用于非平稳过程的滤波。
为了克服维纳滤波器的上述不足之处，卡尔曼等人在维纳滤波的基础上，与60年代初提出了一种递推滤波方法，称为卡尔曼滤波。
与维纳滤波不同，卡尔曼滤波是对时变统计特性进行处理。
他不是从频域，而是从时域的角度出发来考虑问题。
30多年来。
卡尔曼已在各个领域得到了广泛的应用，包括机器人导航、控制、传感器数据融合甚至军事方面的雷达系统以及导弹追踪等。
近年来更被应用于计算机图象处理，例如头脸识别、图象分割、图象边缘检测等等。
1.2滤波器的发展滤波器最初是指某种具有选频特性的电子网络，一般由线圈、电容器和电阻器等元件组成。
滤波器将使它所容许通过的频率范围（即通带）内的电信号产生较小的衰减，而使它所阻止通过的频率范围（即阻带）内的电信号产生较大衰减。
划分通带和阻带的频率，称为滤波器的截止频率。
按组成电路的元件，滤波器可分为LC、RLC、RC、晶体和陶瓷滤波器等。
我们也可以用机械元件代替电子元件，制成机械式滤波器，或利用物质的铁磁共振原理制成可点电调谐的滤波器。
按容器通过的频率范围，滤波器可分为低通，高通，带阻和带通滤波器等。
具有选频特性的串联或并联谐振回路，是一种常用的滤波器。
收音机或其他差式接收机中的中频放大器，也是一中滤波器。
也是一种滤波器。
各级中频放大器中回路靠放大器和变压器来耦合，形成一定的通带和阻带。
信号在通过中放级时，通带内的成分将被放大，而阻带内的成分将大大衰减，而且对通带内的信号还有放大作用。
第三章卡尔曼(Kalman)滤波
总结
状态方程的核心是：设置状态变量， 状态变量是网络内部（最少的）节点变量， 一般设在延迟支路的输出端，状态方程刻 画了状态变量下一时刻的取值与当前时刻的 状态变量和输入之间的关系。
x(k 1) Ax(k) Be(k) 一步递推状态方程： x(k) A(k)x(k 1) w(k -1)
二、离散时间系统的量测方程
来估计信号的当前值 以均方误差最小条件下求解 系统的传递函数H(z)或单位冲激响应h(n)
卡尔曼滤波
不需要全部过去的观察数据
只根据前一个估计值 xˆk -1 和最近一个观察数据 yk 来估计信号的当前值 它是用状态空间法描述系统， 即由状态方程和量测方程组成。
解是以估计值(是状态变量的估计值)的形式给出的
一、离散状态方程及其解
离散状态方程的基本形式是：
x(k 1) Ax(k) Be(k)
其中x(k)代表一组状态变量组成的多维状态矢量， 而A，B都是矩阵，它们是由系统的拓扑结构、元件 性质和数值所确定的。
e(k) 是激励信号。
状态方程是多维一阶的差分方程。 当已知初始状态x(0)， 可用递推的方法得到它的解 x(k)
即：
Eyn yk 0, 1 k n -1
表明：yk不相关性质。 意味着yk的每个值都带来新的信息。
又因为：yk sk k
所以:Ck 1
第三节 卡尔曼滤波的方法
1、卡尔曼滤波的基本思想
卡尔曼滤波是采用递推的算法实现的， 是以卡尔曼滤波的信号模型为基础。
(1)先不考虑激励噪声wk和观测噪声k，
得到状态的估计值xˆk' 和观测数据的估计值yˆk'。
(2)再用观测数据的估计误差yk =yk - yˆk' 去修正状态的估计值xˆk，通过选择修正 矩阵H 使得状态估计误差的均方值Pk最小。
excel卡尔曼滤波
excel卡尔曼滤波Excel卡尔曼滤波卡尔曼滤波器是一种广泛应用于估计系统状态的滤波算法。
它通过使用系统的动态模型和测量数据来进行状态估计，并能够优化估计结果，从而提高系统的准确性。
在Excel中，我们也可以利用其强大的计算功能，实现卡尔曼滤波算法，用于数据处理和分析。
一、卡尔曼滤波的基本原理卡尔曼滤波的基本原理是通过将系统的状态表示为一个高斯分布，利用系统动态模型和测量数据来更新状态的估计。
在每个时间步骤中，卡尔曼滤波器会进行两个主要步骤：预测和更新。
预测步骤中，根据系统的动态模型，预测下一时刻的状态。
这个预测是基于上一时刻的状态估计和系统动态模型的线性组合。
更新步骤中，利用测量数据来校正预测的状态估计。
通过比较预测的状态和实际的测量数据，卡尔曼滤波器会计算出一个权重，用于校正预测的状态估计，得到最终的状态估计结果。
二、在Excel中实现卡尔曼滤波在Excel中，我们可以使用其强大的计算功能来实现卡尔曼滤波算法。
下面是一个简单的示例，说明如何在Excel中实现卡尔曼滤波。
我们需要准备两个数据列，一个是测量数据，另一个是系统动态模型的输入。
这两个数据列可以是实际的测量数据，也可以是根据系统特性生成的模拟数据。
然后，我们需要定义一些参数，包括系统动态模型的参数和测量噪声的方差。
这些参数可以根据实际情况进行调整，以获得最佳的滤波效果。
接下来，在Excel的一个单元格中，输入卡尔曼滤波的初始状态估计。
这个初始状态估计可以是根据实际情况进行估计，也可以是根据系统特性进行初始化。
然后，我们可以使用Excel的函数来进行卡尔曼滤波的预测和更新步骤。
在预测步骤中，我们可以使用线性组合函数来计算下一时刻的状态预测。
在更新步骤中，我们可以使用卡尔曼增益函数来校正预测的状态估计。
我们可以将预测和更新的结果分别输出到Excel的两个单元格中，以便进一步分析和展示。
三、应用案例卡尔曼滤波在实际应用中有着广泛的用途。
例如，在导航和定位系统中，卡尔曼滤波可以用于估计车辆或飞机的位置和速度，提高导航的准确性。
(完整)卡尔曼滤波介绍
卡尔曼滤波一、卡尔曼滤波的起源谈到信号的分析与处理，就离不开滤波两个字。
通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内，为了消除噪声，可以把FIR滤波器或者IIR滤波器设计成合适的频带滤波器，进行频域滤波。
但在许多应用场合，需要直接进行时域滤波,从带噪声的信号中提取有用信号。
虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但其所依据的理论，即针对随机信号的估计理论,是自成体系的.人们对于随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”.为了“估计"，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度.最小均方误差是一种常用的比较简单的经典准则。
对于平稳时间序列的最小均方误差估计的第一个明确解是维纳在1942年2月首先给出的.当时美国的一个战争研究团体发表了一个秘密文件，其中就包括维纳关于滤波问题的研究工作，这项研究是用于防空火力控制系统的.维纳滤波器是基于最小均方误差准则的估计器。
为了寻求维纳滤波器的冲激响应,需要求解著名的维纳–霍夫方程。
这种滤波理论所求的是使均方误差最小的系统最佳冲激响应的明确表达式。
从维纳–霍夫方程来看，维纳滤波算法是十分低效的。
这种算法要求设置大量的存储器来保存过去的测量数据,一个新的数据到来后，要进行刷新，重新计算自相关和互相关序列。
再者，求解这个方程需要耗费大量时间对高阶矩阵求逆。
因此,维纳滤波算法难以运用于实时处理中，尤其是无法用于军事、航空航天等领域。
为此,许多科技工作者进行了多方探索，但在解决非平稳过程的滤波问题时,能给出的方法很少。
到20世纪50年代中期，随着空间技术的发展，要求对卫星轨道进行精确地测量，这种方法越来越不能满足实际应用的需要。
为此，人们将滤波问题以微分方程表示,提出了一系列适应空间技术应用的精炼算法。
1960年和1961年，卡尔曼（R. E. Kalman）和布西（R. S。
Bucy)提出了递推滤波算法，成功的将状态变量引入到滤波理论中来，用消息与干扰的状态空间模型代替了通常用来描述它们的协方差函数，将状态空间描述与离散数间刷新联系起来，适于计算机直接进行计算，而不是去寻求滤波器冲激响应的明确公式。
-卡尔曼滤波
9 卡尔曼滤波器的稳定性9.1 稳定性定义滤波的稳定性问题是研究滤波初值的选取对估计值和估计的误差方差阵的影响。
xˆ和误差方差阵k P都不受所选如果随着滤波时间的增长，估计值k初值的影响，则滤波器是稳定的。
否则估计是有偏的，估计误差方差阵也不是最小的。
对于随机线性离散动态系统()()()()()k k G k k A k w x x +=+1设()01x、()02x 为滤波器的两个任意初始状态，()k 1x 、()k 2x 是对应于两个初始状态在k 时刻的状态。
定义1：若对于任意给定正数0>ε，都可以找到正数()0,0>t εδ，使得对任意()()()021,00t εδ<−x x恒有()()ε<−k k 21x x ，k ∀成立，则称滤波器是稳定的。
定义2：若滤波器稳定，且有()()0lim 21=−∞→k k k x x则称滤波器渐近稳定。
定义3：若滤波器稳定，而且对任意初始状态总有()()0lim 21=−∞→k k k x x则称滤波器一致渐近稳定。
注：对于定常系统，渐近稳定与一致渐近稳定两者等价。
9.2 随机线性系统的可控性与可观测性设随机线性离散系统为()()()()()()()()()1111,11++++=+++Φ=+k k k H k k k G k k k k v x z w x x式中，()[]0w =k E ，()()[]()kj Tk Q j k E δ=ww()[]0v =k E ， ()()[]()kj Tk R j k E δ=v v()()[]0=j k E Tv w随机离散系统的完全随机可控的充要条件是：随机可控性矩阵满足()()()()()()0,,1,1>ΦΦ=+−∑+−=kN k i TT i k i G i Q i G i k N k k CN 为与k 无关的正整数。
随机离散系统的一致完全随机可控的充要条件是：如果存在正整数N 和01>α，01>β，使得当N k ≥时，有()IN k k C I 111,βα≤+−≤随机离散系统的完全随机可观测的充要条件是：()()()()()()0,,1,11>ΦΦ=+−∑+−=−kN k i T T k i i H i R i H k i N k k M()1,+−N k k M 为离散型随机可观测矩阵。
卡尔曼滤波详解
卡尔曼滤波详解卡尔曼滤波是一种常用的状态估计方法，它可以根据系统的动态模型和观测数据，对系统的状态进行估计。
卡尔曼滤波广泛应用于机器人导航、飞行控制、信号处理等领域。
本文将详细介绍卡尔曼滤波的原理、算法及应用。
一、卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波的基本思想是利用系统的动态模型和观测数据，对系统的状态进行估计。
在卡尔曼滤波中，系统的状态被表示为一个向量，每个元素表示系统的某个特定状态量。
例如，一个机器人的状态向量可能包括机器人的位置、速度、方向等信息。
卡尔曼滤波的基本假设是系统的动态模型和观测数据都是线性的，而且存在噪声。
系统的动态模型可以表示为：x(t+1) = Ax(t) + Bu(t) + w(t)其中，x(t)表示系统在时刻t的状态向量，A是状态转移矩阵，B是控制矩阵，u(t)表示外部控制输入，w(t)表示系统的过程噪声。
观测数据可以表示为：z(t) = Hx(t) + v(t)其中，z(t)表示系统在时刻t的观测向量，H是观测矩阵，v(t)表示观测噪声。
卡尔曼滤波的目标是根据系统的动态模型和观测数据，估计系统的状态向量x(t)。
为了达到这个目标，卡尔曼滤波将状态估计分为两个阶段：预测和更新。
预测阶段：根据系统的动态模型，预测系统在下一个时刻的状态向量x(t+1)。
预测的过程可以表示为：x^(t+1|t) = Ax^(t|t) + Bu(t)其中，x^(t|t)表示在时刻t的状态向量的估计值，x^(t+1|t)表示在时刻t+1的状态向量的预测值。
卡尔曼滤波还需要对状态的不确定性进行估计，这个不确定性通常用协方差矩阵P(t)表示。
协方差矩阵P(t)表示状态向量估计值和真实值之间的差异程度。
预测阶段中，协方差矩阵也需要进行更新，更新的过程可以表示为：P(t+1|t) = AP(t|t)A' + Q其中，Q表示过程噪声的协方差矩阵。
更新阶段：根据观测数据，更新状态向量的估计值和协方差矩阵。
更新的过程可以表示为：K(t+1) = P(t+1|t)H'(HP(t+1|t)H' + R)^-1x^(t+1|t+1) = x^(t+1|t) + K(t+1)[z(t+1) - Hx^(t+1|t)]P(t+1|t+1) = (I - K(t+1)H)P(t+1|t)其中，K(t+1)表示卡尔曼增益，R表示观测噪声的协方差矩阵，I是单位矩阵。
集合卡尔曼滤波
集合卡尔曼滤波
1 卡尔曼滤波
卡尔曼滤波（Kalman Filter）是一种最优状态估计方法，它能够
估计一个未知系统及其状态序列的最优值，又被称为集合型的最优滤
波器。
它的基本思想是，由先前的滤波状态和测量值估计当前状态，它
使用状态变量连接先前的和当前的状态，通过相应的估计和更新，使
得滤波器能够不断更新最优状态。
2 集合卡尔曼滤波
卡尔曼滤波可以通过一个给定的模型来实现，但是在实际场景中，多个模型之间存在偏差，因此不能确保一个估计值对应一致的模型。
因此，集合卡尔曼滤波应运而生，以解决单一模型的不确定性问题。
集合卡尔曼滤波实际上是将卡尔曼滤波技术应用到统计学习中，
通过生成一个集合，来表达系统的不确定性，将所有模型进行综合，
从而提高最终预测的准确性。
3 应用
集合卡尔曼滤波可以广泛应用到机器和生物领域，在人工制导的
飞行控制中，使用集合卡尔曼滤波可以减少飞行中的隐藏误差；同样，它也可以用于遥感图像处理，视觉检测和跟踪，以及机器学习任务的
聚类分析等。
另外，集合卡尔曼滤波广泛用于生物偏好追踪，包括脑电图，肌
肉活动记录，以及传感器控制的手部抓取等，可以更好地理解人类特
性和动作，以提高合成饮食追踪能力和精准检测高血压等疾病。
4 总结
集合卡尔曼滤波是一种融合了单一卡尔曼滤波与统计学习的技术，它利用一组测量值和一组不同模型对状态和测量器参数进行估计，从
而获得更准确的结果。
它的应用广泛，可以用于机器和生物领域的飞
行控制，视觉检测，机器学习，以及生物追踪等，为开发自动系统提
供帮助。
第五讲：卡尔曼滤波
第五讲：卡尔曼滤波
11
二、Kalman滤波
20.01.2021
第五讲：卡尔曼滤波
12
2.1 卡尔曼滤波方程
目 录 1. 离散系统的数学描述
设离散化后的系统状态方程和量测方程分别为：
概述 标准 KF 扩展 KF
Xk
X k,k 1 k 1
k 1Wk 1
Zk Hk Xk Vk
Schmidt KF
自适应 KF 平滑算法
标准卡尔曼滤波的线性假设在标准的卡尔曼滤波中观测模型假设为线性z是x的线性函数但实际情况往往并非如此如gnss导航滤波器中观测模型是强非线性的在标准卡尔曼滤波中系统模型也被假设为线性的x的时间导数是x的线性函数问题
卡尔曼滤波算法及应用
第五讲：卡尔曼滤波
目录
一. 概述
二. 标准卡尔曼滤波
卡尔曼滤波方程
滤波器估值的
以模某型种一导般航系都是线主导性要航的部参分数即误是差
统输出导航参
的估值
数的误差为主
要状态
24
目 录 2. 开环卡尔曼滤波
概述 标准 KF
用导航参数误差的估值 Xˆ去校正系统输出的导航参数，得到综 合导航系统的导航参数估值 Xˆ
扩展 KF Schmidt KF 自适应 KF 平滑算法
惯性系统 其他导航系统
描述了观测向量与状态向量间的函数关系。
第五讲：卡尔曼滤波
9
目录 概述
标准 KF 扩展 KF Schmidt KF 自适应 KF
1组观测向量
是一组针对同一时刻的系统特性的测量值，例如观测量可以包括GNSS系 统的位置测量值，或者INS与GNSS位置结果的差值。
1个算法：
卡尔曼滤波算法 使用观测向量、观测模型和系统模型来获得状态向量的最优估计，分为系
卡尔曼滤波实验报告
这是在ENU坐标系下，仿真生成一段弹道(自由段和再入段)。
图三导弹的高度、径向距离、方位角和俯仰角随时间的变化关系
图四，EKF算法滤波性能
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弹道目标跟踪技术课程实验报告
一、实验原理
根据老师所给的文档所写，此处不再赘述。
二、程序代码
程序代码在文件夹中。
三、实验结果图
图一，观测和真实弹道
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1. 卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman ，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。
1953，1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。
1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。
我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems 》（线性滤波与预测问题的新方法）。
基于状态空间描述对混有噪声的信号进行滤波的方法，简称卡尔曼滤波。
这种方法是R.E.卡尔曼和R.S.布什于1960和1961年提出的。
卡尔曼滤波是一种切实可行和便于应用的滤波方法，其计算过程通常需要在计算机上实现。
实现卡尔曼滤波的装置或软件称为卡尔曼滤波器。
卡尔曼滤波器（Kalman Filter ）是在克服以往滤波方法局限性的基础上提出来的，是一个最优化自回归数据处理算法（optimal recursive data processing algorithm ）。
它是针对系统的部分状态或是部分状态的线性组合，且量测值中有随机误差（常称为量测噪声）。
将仅与部分状态有关的测量进行处理，得出从某种统计意义上讲误差最小的更多状态的估值，从而将混有噪声（干扰）的信号中噪声滤除、提取有用信号。
卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值。
现设线性时变系统的离散状态方程和观测方程为：()()()()()X k+1F k X k G k u k ()w k =•++()()()()k+1H k+1X k+1k+1Y v =•+其中()k X 和()k Y 分别是k 时刻的状态矩阵和测量矩阵()k F 为状态转移矩阵()k G 为系统控制项矩阵()k u 为k 时刻对系统的控制量()k w 为k 时刻动态噪声，其协方差()Q k()k H 为k 时刻观测矩阵()k v 为k 时刻测量噪声, 其协方差()R k则卡尔曼滤波的算法流程为：状态的一步预估计()()()()()ˆˆXk+1k F k X k k G k u k |=•|+ 一步预估计协方差矩阵()()()()()C k+1k F k C k k F k Q k '|=•|+'计算卡尔曼增益矩阵()()()()()S k+1H k+1C k+1k H k+1k 1R ''=|•++()()()()1K k+1C k+1k H k+1k 1S-'=|•+状态更新方程 ()()()()ˆX k+1k+1Xk+1k+1K k+1V k+1|=|+ ()()()ˆV k+1Z k+1Zk+1k =-| ()()()ˆˆZk+1k H k 1X k+1k |=+| 计算更新后估计协方差矩阵()()()()C k+1k+1I K k+1H k+1C k+1k |=-|⎡⎤⎣⎦或是()()()()()C k+1k+1C k+1k K k+1H k+1C k+1k |=|-|离散时间线性系统卡尔曼滤波算法流程2.卡尔曼滤波器（Kalman Filter）是一个最优化自回归数据处理算法（optimal recursive data processing algorithm）。
应用在很多领域，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。
卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值。
它适合于实时处理和计算机运算。
特点：从混有噪声（干扰）的信号中滤除噪声、提取有用信号是滤波的基本目的。
在卡尔曼滤波出现以前，已经建立了采用最小二乘法处理观测数据和采用维纳滤波方法处理平稳随机过程的滤波理论。
但这些滤波方法或因功能不够，或因条件要求苛刻，而不便于实用。
卡尔曼滤波是在克服以往滤波方法的局限性的基础上提出来的，是滤波方法的重大演进。
卡尔曼滤波比维纳滤波有以下优点：①在卡尔曼滤波中采用物理意义较为直观的时间域语言，而在维纳滤波中则采用物理意义较为间接的频率域语言。
②卡尔曼滤波仅需要有限时间内的观测数据，而维纳滤波则需要用过去的半无限时间内的全部观测数据。
③卡尔曼滤波可使用比较简单的递推算法，而维纳滤波则需要求解一个积分方程。
④卡尔曼滤波可以推广到非平稳随机过程的情况，而维纳滤波只适用于平稳随机过程。
⑤卡尔曼滤波所需数据存储量较小，便于用计算机进行实时处理，而维纳滤波的计算复杂，步骤冗长，不便于实时处理。
在相同条件下，卡尔曼滤波能得出与维纳滤波相同的结果。
在实用上，卡尔曼滤波比维纳滤波功能强，用途广。
卡尔曼滤波已在航天技术、通信工程、工业控制等领域中得到比较广泛的应用。
卡尔曼滤波的局限性表现在只能用于线性的信号过程，即状态方程和观测方程都是线性的随机系统，而且噪声必须服从高斯分布。
虽然不少实际问题都可满足这些限制条件，但当实际系统的非线性特性稍强或者噪声特性偏离高斯分布较大时，卡尔曼滤波就不能给出符合实际的结果。
卡尔曼滤波是一种最优估计技术。
工程中，为了了解工程对象（滤波中称为系统）的各个物理量（滤波中称为状态）的确切数值，或为了达到对工程对象进行控制的目的，必须利用测量手段对系统的各个状态进行测量。
但是，量测值可能仅是系统的部分状态或是部分状态的线性组合，且量测值中有随机误差（常称为量测噪声）。
最优估计就是针对上述问题的一种解决方法。
它能将仅与部分状态有关的测量进行处理，得出从某种统计意义上讲误差最小的更多状态的估值。
误差最小的标准常称为估计准则，根据不同的的估计准则和估计计算方法，有各种不同的最优估计，卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计。
现设线性时变系统的离散状态防城和观测方程为：X(k) = F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)Y(k) = H(k)·X(k)+N(k)其中X(k)和Y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量F(k,k-1)为状态转移矩阵U(k)为k时刻动态噪声T(k,k-1)为系统控制矩阵H(k)为k时刻观测矩阵N(k)为k时刻观测噪声则卡尔曼滤波的算法流程为：预估计X(k)^= F(k,k-1)·X(k-1)计算预估计协方差矩阵C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'Q(k) = U(k)×U(k)'计算卡尔曼增益矩阵K(k) = C(k)^×H(k)'×[H(k)×C(k)^×H(k)'+R(k)]^(-1)R(k) = N(k)×N(k)'更新估计X(k)~=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^]计算更新后估计协防差矩阵C(k)~ = [I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'X(k+1) = X(k)~C(k+1) = C(k)~重复以上步骤3.卡尔曼滤波的应用斯坦利.施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器.卡尔曼在NASA埃姆斯研究中心访问时,发现他的方法对于解决阿波罗计划的轨道预测很有用,后来阿波罗飞船的导航电脑使用了这种滤波器. 关于这种滤波器的论文由Swerling (1958), Kalman (1960)与 Kalman and Bucy (1961)发表.目前,卡尔曼滤波已经有很多不同的实现.卡尔曼最初提出的形式现在一般称为简单卡尔曼滤波器.除此以外,还有施密特扩展滤波器,信息滤波器以及很多Bierman, Thornton 开发的平方根滤波器的变种.也行最常见的卡尔曼滤波器是锁相环，它在收音机,计算机和几乎任何视频或通讯设备中广泛存在.卡尔曼滤波的一个典型实例是从一组有限的，对物体位置的，包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度. 在很多工程应用(雷达, 计算机视觉)中都可以找到它的身影. 同时，卡尔曼滤波也是控制理论以及控制系统工程中的一个重要话题.比如,在雷达中,人们感兴趣的是跟踪目标,但目标的位置,速度,加速度的测量值往往在任何时候都有噪声.卡尔曼滤波利用目标的动态信息,设法去掉噪声的影响,得到一个关于目标位置的好的估计。
这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波),也可以是对于将来位置的估计(预测)，也可以是对过去位置的估计(插值或平滑).实例分析为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器，这里会应用形象的描述方法来讲解，而不是像大多数参考书那样罗列一大堆的数学公式和数学符号。
但是，他的5条公式是其核心内容。
结合现代的计算机，其实卡尔曼的程序相当的简单，只要你理解了他的那5条公式。
在介绍他的5条公式之前，先让我们来根据下面的例子一步一步的探索。
假设我们要研究的对象是一个房间的温度。
根据你的经验判断，这个房间的温度是恒定的，也就是下一分钟的温度等于现在这一分钟的温度（假设我们用一分钟来做时间单位）。
假设你对你的经验不是100%的相信，可能会有上下偏差几度。
我们把这些偏差看成是高斯白噪声（White Gaussian Noise），也就是这些偏差跟前后时间是没有关系的而且符合高斯分配（Gaussian Distribution）。
另外，我们在房间里放一个温度计，但是这个温度计也不准确的，测量值会比实际值偏差。
我们也把这些偏差看成是高斯白噪声。
好了，现在对于某一分钟我们有两个有关于该房间的温度值：你根据经验的预测值（系统的预测值）和温度计的值（测量值）。
下面我们要用这两个值结合他们各自的噪声来估算出房间的实际温度值。
假如我们要估算k时刻的是实际温度值。
首先你要根据k-1时刻的温度值，来预测k时刻的温度。
因为你相信温度是恒定的，所以你会得到k时刻的温度预测值是跟k-1时刻一样的，假设是23度，同时该值的高斯噪声的偏差是5度（5是这样得到的：如果k-1时刻估算出的最优温度值的偏差是3，你对自己预测的不确定度是4度，他们平方相加再开方，就是5）。
然后，你从温度计那里得到了k时刻的温度值，假设是25度，同时该值的偏差是4度。