介绍
最佳线性滤波理论起源于40年代美国科学家Wiener和前苏联科学家Ｋолмогоров等人的研究工作，后人统称为维纳滤波理论。从理论上说，维纳滤波的最大缺点是必须用到无限过去的数据，不适用于实时处理。为了克服这一缺点，60年代Kalman把状态空间模型引入滤波理论，并导出了一套递推估计算法，后人称之为卡尔曼滤波理论。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。
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)
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
算法步骤
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
c语言实现
int lman(n,m,k,f,q,r,h,y,x,p,g)
int n,m,k;
double f[],q[],r[],h[],y[],x[],p[],g[];
int i,j,kk,ii,l,jj,js;
double *e,*a,*b;
e=malloc(m*m*sizeof(double));
l=m;
if (l<n) l=n;
a=malloc(l*l*sizeof(double));
b=malloc(l*l*sizeof(double));
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ ii=i*l+j; a[ii]=0.0;
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
a[ii]=a[ii]+p[i*n+kk]*f[j*n+kk];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ ii=i*n+j; p[ii]=q[ii];
、 for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
{
p[ii]=p[ii]+f[i*n+kk]*a[kk*l+j];
}
}
for (ii=2; ii<=k; ii++)
{ for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=m-1; j++)
{ jj=i*l+j; a[jj]=0.0;
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
a[jj]=a[jj]+p[i*n+kk]*h[j*n+kk];
}
for (i=0; i<=m-1; i++)
for (j=0; j<=m-1; j++)
{ jj=i*m+j; e[jj]=r[jj];
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
e[jj]=e[jj]+h[i*n+kk]*a[kk*l+j];
}
js=rinv(e,m);
if (js==0)
{ free(e); free(a); free(b); return(js);}
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=m-1; j++)
{ jj=i*m+j; g[jj]=0.0;
for (kk=0; kk<=m-1; kk++)
g[jj]=g[jj]+a[i*l+kk]*e[j*m+kk];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ jj=(ii-1)*n+i; x[jj]=0.0;
for (j=0; j<=n-1; j++)
x[jj]=x[jj]+f[i*n+j]*x[(ii-2)*n+j];
}
for (i=0; i<=m-1; i++)
{ jj=i*l; b[jj]=y[(ii-1)*m+i];
for (j=0; j<=n-1; j++)
b[jj]=b[jj]-h[i*n+j]*x[(ii-1)*n+j];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
{ jj=(ii-1)*n+i;
for (j=0; j<=m-1; j++)
x[jj]=x[jj]+g[i*m+j]*b[j*l];
}
if (ii<k)
{ for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ jj=i*l+j; a[jj]=0.0;
for (kk=0; kk<=m-1; kk++)
a[jj]=a[jj]-g[i*m+kk]*h[kk*n+j];
if (i==j) a[jj]=1.0+a[jj];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ jj=i*l+j; b[jj]=0.0;
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
b[jj]=b[jj]+a[i*l+kk]*p[kk*n+j];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ jj=i*l+j; a[jj]=0.0;
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
a[jj]=a[jj]+b[i*l+kk]*f[j*n+kk];
}
for (i=0; i<=n-1; i++)
for (j=0; j<=n-1; j++)
{ jj=i*n+j; p[jj]=q[jj];
for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
p[jj]=p[jj]+f[i*n+kk]*a[j*l+kk];
}
}
}
free(e); free(a); free(b);
return(js);
}
