कालमान फिल्टर

कलमन निस्यंदक प्रणाली की अनुमानित स्थिति और अनुमान की भिन्नता या अनिश्चितता का ट्रैक रखता है। अनुमान को एक अवस्था संक्रमण प्रतिरूप और माप का उपयोग करके अद्यतन किया जाता है। ${\hat {x}}_{k\mid k-1}$ k-वें माप y . से पहले चरण k पर प्रणाली की स्थिति का अनुमान दर्शाता है_k ध्यान में रखा गया है; $P_{k\mid k-1}$ संगत अनिश्चितता है।

सांख्यिकी औरनियंत्रण सिद्धांत के लिए, कलमन निस्यंदन, जिसे रैखिक द्विघात अनुमान (LQE) के रूप में भी जाना जाता है, और यह एक कलन विधि है जो समय के साथ देखे गए मापों की एक श्रृंखला का उपयोग करता है, जिसमें सांख्यिकीय नॉइज़ और अन्य अशुद्धियाँ सम्मिलित हैं, और अज्ञात चर के अनुमान उत्पन्न करता हैं, जो अधिक होते हैं। प्रत्येक समय-सीमा के लिए चरों पर एक अकेले एक माप के आधार पर सटीक संयुक्त संभाव्यता वितरण का अनुमान लगाकर किया जाता है। एक निस्यंदक का नाम रुडोल्फ ई.कलमैन के नाम पर रखा गया है, जो इसके सिद्धांत के प्राथमिक विकासकर्ताओं में से एक थे।

इस अंकीय निस्यंदक को कभी-कभी स्ट्रैटोनोविच-कलमैन-बुकी निस्यंदक कहा जाता है क्योंकि यह सोवियत गणितज्ञरुस्लान स्ट्रैटोनोविच द्वारा कुछ पूर्व में विकसित किए गए अधिक सामान्य, अरैखिक निस्यंदक की एक विशेष स्थिति है। वास्तव में, कुछ विशेष स्थितिया रैखिक निस्यंदक के समीकरण स्ट्रैटोनोविच के पत्रों में दिखाई दिए, जो 1960 की ग्रीष्म से पूर्व प्रकाशित हुए थे, जब कलमैन मॉस्को में एक सम्मेलन के पर्यंत स्ट्रैटोनोविच से भेंट की थी।

कलमन निस्यंदन में कई प्रौद्योगिकीय अनुप्रयोग हैं। वाहनों, विशेष रूप से विमान, अंतरिक्ष यान और जहाजों केगतिशील स्थिति के मार्गदर्शन, नौ संचालन और नियंत्रण के लिए एक सामान्य अनुप्रयोग है। इसके अतिरिक्त, कलमन निस्यंदन एक अवधारणा है जो संकेत संसाधन और अर्थमिति जैसे विषयों के लिए उपयोग की जाने वाली समय श्रृंखला विश्लेषण में बहुत अधिक अनुप्रयुक्त होती है। कलमन निस्यंदन भी यंत्रमानववत् गति योजना और नियंत्रण के मुख्य विषयों में से एक है और इसका उपयोग प्रक्षेपवक्र अनुकूलन के लिए किया जा सकता है। कलमन निस्यंदन केंद्रीय तंत्रिका तंत्र की गतिविधि के नियंत्रण के प्रतिरूप के लिए भी कार्य करता है। प्रेरक आदेश जारी करने और संवेदी प्रतिक्रिया प्राप्त करने के मध्य समय की देरी के कारण, कलमन निस्यंदक का उपयोग प्रेरक प्रणाली की वर्तमान स्थिति का अनुमान लगाने और अद्यतन आदेश जारी करने के लिए एक यथार्थवादी प्रतिरूप प्रदान करता है।

कलन विधि दो-चरण प्रक्रिया द्वारा कार्य करते है। पूर्वाकलन चरण के लिए, कलमन निस्यंदक वर्तमान स्थिति चरों के अनुमानों के साथ-साथ उनकी उनकी अनिश्चितताओं का अनुमान लगाता है। एक बार जब आगामी माप के परिणाम (अनिवार्य रूप से कुछ त्रुटि के साथ दूषित, यादृच्छिक नॉइज़ सहित) देखे जाने के पश्चात, तो इन अनुमानों में भारित औसतों का उपयोग करके अद्यतन किया जाता है, और अधिक निश्चितता के साथ अनुमानों को अधिक महत्व दिया जाता है। कलन विधि पुनरावर्ती होती है। यह वास्तविक समय नियंत्रण प्रणाली में कार्य कर सकती है, केवल वर्तमान इनपुट माप और पूर्व की गणना की स्थिति और इसकी अनिश्चितता आव्यूह का उपयोग करके; कोई अतिरिक्त पूर्व सूचना की आवश्यकता नहीं है।

कलमन निस्यंदन की इष्टतमता मानती है कि त्रुटियों का सामान्य वितरण होता है। रुडोल्फ ई. कलमैन के शब्दों में: संक्षेप में, यादृच्छिक प्रक्रियाओं के विषय में निम्नलिखित धारणाएँ बनाई गई हैं: भौतिक यादृच्छिक घटना को प्राथमिक यादृच्छिक स्रोतों के उत्तेजन गतिशील प्रणालियों के कारण माना जा सकता है। प्राथमिक स्रोतों को शून्य माध्य के साथ स्वतंत्र गॉसियन यादृच्छिक प्रक्रिया मानी जाती है; और गतिशील प्रणालियां रैखिक होंगी। हालांकि गॉसियनिटी की उपेक्षा किए बिना, यदि प्रक्रिया और माप सहप्रसरण ज्ञात हैं, तो कलमन निस्यंदक न्यूनतम माध्य-वर्ग-त्रुटि के अर्थ में सर्वोत्तम संभव रैखिक अनुमानक है।

विधि के विस्तार और सामान्यीकरण भी विकसित किए गए हैं, जैसे कि विस्तारित कलमन निस्यंदक और असंतुलित कलमन निस्यंदक जो अरैखिक प्रणालियों पर कार्य करते हैं। आधार एक गुप्त मार्कोव प्रतिरूप है जैसे कि अव्यक्त चर की अवस्था समष्टि निरंतर है और सभी अव्यक्त और देखे गए चर में गॉसियन वितरण हैं। इसके अतिरिक्त, कलमन निस्यंदन का बहु-संवेदक संगलन में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है, और वितरित या सर्वसम्मति कलमन निस्यंदन विकसित करने के लिए संवेदक जालक्रम वितरित किए।

इतिहास

निस्यंदन विधि का नाम हंगरी के प्रवासी रूडोल्फ ई. कलमैन के नाम पर रखा गया है, हालांकि थोरवाल्ड निकोलाई थिले और पीटर स्वेर्लिंग ने पहले भी इसी तरह का कलन विधि विकसित किया था। जॉन्स हॉपकिन्स अनुप्रयुक्त भौतिकी प्रयोगशाला के रिचर्ड एस। बुकी ने सिद्धांत में योगदान दिया, जिससे इसे कभी-कभी कलमन-बुकी निस्यंदन के रूप में जाना जाता है। स्टेनली एफ. श्मिट को आमतौर पर कलमन निस्यंदक के पहले कार्यान्वयन को विकसित करने का श्रेय दिया जाता है। उन्होंने महसूस किया कि निस्यंदक को दो अलग-अलग भागो में विभाजित किया जा सकता है, एक भाग संवेदक आउटपुट के मध्य की अवधि के लिए और दूसरा भाग माप को सम्मिलित करने के लिए। यह कलमैन द्वारा नासा एम्स रिसर्च सेंटर की यात्रा के पर्यंत था कि श्मिट ने प्रोजेक्ट अपोलो के लिए प्रक्षेपवक्र अनुमान की गैर-रेखीय समस्या के लिए कलमैन के विचारों की प्रयोज्यता को देखा, जिसके परिणामस्वरूप अपोलो गाइडेंस कंप्यूटर में इसका समावेश हुआ।

इस कलमन निस्यंदन को पहले स्वेर्लिंग (1958), कलमन (1960) और कलमन और बुकी (1961) द्वारा प्रौद्योगिकीय पत्रों में आंशिक रूप से वर्णित और विकसित किया गया था।

अपोलो परिकलक ने 2k चुम्बकीय कोर RAM और 36k तार रज्जु [...] का उपयोग किया। CPU को ICs [...] से बनाया गया था। घड़ी की गति 100 किलोहर्ट्ज़ [...] से कम थी। तथ्य यह है कि MIT के अभियन्ता इतने छोटे परिकलक में इतने अच्छे सॉफ्टवेयर (कलमैन निस्यंदक के सबसे पहले अनुप्रयोगों में से एक) को संविष्ट करने में सक्षम थे, वास्तव में उल्लेखनीय है।

— मैथ्यू रीड द्वारा जैक क्रेंशॉ के साथ साक्षात्कार, TRS-80.org (2009) [1]

अमेरिकी नौसेना के परमाणु बैलिस्टिक मिसाइल पनडुब्बियों के नेविगेशन प्रणाली के कार्यान्वयन में और अमेरिकी नौसेना की टॉमहॉक मिसाइल और अमेरिकी वायु सेना के एजीएम एजीएम-86 एएलसीएम जैसे क्रूज मिसाइलों के मार्गदर्शन और नेविगेशन प्रणाली में कलमन निस्यंदक महत्वपूर्ण हैं। उनका उपयोग पुन: प्रयोज्य लॉन्च वाहनों के मार्गदर्शन और नेविगेशन प्रणाली और अंतरिक्ष यान के एटिट्यूड डायनेमिक्स और नियंत्रण और नेविगेशन प्रणाली में भी किया जाता है जो अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष केन्द्र पर डॉक करते हैं।

गणना का अवलोकन

कलमन निस्यंदन प्रणाली के गतिशील प्रतिरूप (जैसे, गति के भौतिक नियम), उस प्रणाली के लिए ज्ञात नियंत्रण इनपुट और प्रणाली की अलग-अलग मात्राओं का अनुमान लगाने के लिए कई अनुक्रमिक माप (जैसे संवेदक से) का उपयोग करता है (इसके अवस्था स्थान (नियंत्रण) ) जो केवल एक माप का उपयोग करके प्राप्त अनुमान से उन्नत है। जैसे, यह एक सामान्य संवेदक फ़्यूज़न और डेटा फ़्यूज़न कलन विधि है।

नॉइज़ संवेदक डेटा, समीकरणों में सन्निकटन जो प्रणाली के विकास का वर्णन करते हैं, और बाहरी कारक जो सभी सीमाओं के लिए जिम्मेदार नहीं हैं, प्रणाली की स्थिति को निर्धारित करना कितना अच्छा है। कलमन निस्यंदक नॉइज़ संवेदक डेटा और कुछ हद तक यादृच्छिक बाहरी कारकों के कारण अनिश्चितता से प्रभावी ढंग से निपटता है। Kalman निस्यंदक प्रणाली की स्थिति का अनुमान प्रणाली की अनुमानित स्थिति के औसत और भारित माध्य का उपयोग करके नए माप के रूप में उत्पन्न करता है। भार का उद्देश्य यह है कि उन्नत (अर्थात्, छोटे) अनुमानित अनिश्चितता वाले मूल्यों पर अधिक भरोसा किया जाता है। वज़न की गणना सहप्रसरण से की जाती है, जो प्रणाली की स्थिति की भविष्यवाणी की अनुमानित अनिश्चितता का एक उपाय है। भारित औसत का परिणाम एक नया अवस्था अनुमान है जो अनुमानित और मापी गई स्थिति के मध्य स्थित है, और अकेले की तुलना में उन्नत अनुमानित अनिश्चितता है। इस प्रक्रिया को हर समय कदम पर दोहराया जाता है, नए अनुमान और इसके सहसंयोजक के साथ निम्नलिखित पुनरावृत्ति में प्रयुक्त भविष्यवाणी को सूचित करते हैं। इसका मतलब यह है कि कलमन निस्यंदक पुनरावर्ती निस्यंदक का कार्य करता है और एक नए अवस्था की गणना करने के लिए प्रणाली की स्थिति के पूरे इतिहास के बजाय केवल अंतिम सर्वोत्तम अनुमान की आवश्यकता होती है।

माप 'निश्चितता-ग्रेडिंग और वर्तमान-अवस्था अनुमान महत्वपूर्ण विचार हैं। कलमन निस्यंदक के लाभ (इलेक्ट्रॉनिक्स) के संदर्भ में निस्यंदक की प्रतिक्रिया पर चर्चा करना आम बात है। कलमन-लाभ माप और वर्तमान-अवस्था अनुमान को दिया गया भार है, और इसे किसी विशेष प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। एक उच्च लाभ के साथ, निस्यंदक सबसे हाल के मापों पर अधिक भार डालता है, और इस प्रकार उनके लिए अधिक प्रतिक्रियात्मक रूप से अनुरूप होता है। कम लाभ के साथ, निस्यंदक प्रतिरूप की भविष्यवाणियों के अधिक बारीकी से अनुरूप होता है। चरम पर, एक के करीब एक उच्च लाभ एक अधिक उछल अनुमानित प्रक्षेपवक्र में परिणाम देगा, जबकि शून्य के करीब एक कम लाभ नॉइज़ को सुचारू करेगा लेकिन प्रतिक्रिया को कम करेगा।

निस्यंदक के लिए वास्तविक गणना करते समय (जैसा कि नीचे चर्चा की गई है), अवस्था अनुमान और सहप्रसरणों को गणना के एक सेट में सम्मिलित कई आयामों के कारण आव्यूह (गणित) में कोडित किया जाता है। यह किसी भी संक्रमण प्रतिरूप या सहप्रसरण में विभिन्न अवस्था चर (जैसे स्थिति, वेग और त्वरण) के मध्य रैखिक संबंधों के प्रतिनिधित्व के लिए अनुमति देता है।

उदाहरण आवेदन

एक उदाहरण के रूप में, एक ट्रक के सटीक स्थान को निर्धारित करने की समस्या पर विचार करें। ट्रक एक GPS ईकाई से लैस हो सकता है जो कुछ मीटर के भीतर स्थिति का अनुमान प्रदान करता है। जीपीएस अनुमान नॉइज़ होने की संभावना है; रीडिंग तेजी से 'कूदते' हैं, हालांकि वास्तविक स्थिति के कुछ मीटर के भीतर शेष हैं। इसके अतिरिक्त, चूंकि ट्रक से भौतिकी के नियमों का पालन करने की अपेक्षा की जाती है, इसलिए समय के साथ इसके वेग को एकीकृत करके, पहिया क्रांतियों और स्टीयरिंग व्हील के कोण को ध्यान में रखते हुए इसकी स्थिति का अनुमान लगाया जा सकता है। यह एक ऐसी प्रविधि है जिसे मृत गणना के रूप में जाना जाता है। आम तौर पर, मृत गणना ट्रक की स्थिति का एक बहुत ही सहज अनुमान प्रदान करेगी, लेकिन समय के साथ यह छोटी त्रुटियों के जमा होने के साथ बहाव (दूरसंचार) होगा।

इस उदाहरण के लिए, कलमन निस्यंदक को दो अलग-अलग चरणों में कार्य करने वाला माना जा सकता है: भविष्यवाणी और अद्यतन। भविष्यवाणी के चरण में, ट्रक की पुरानी स्थिति को भौतिक न्यूटन के गति के नियमों (गतिशील या अवस्था संक्रमण प्रतिरूप) के अनुसार संशोधित किया जाएगा। न केवल एक नई स्थिति अनुमान की गणना की जाएगी, बल्कि एक नए सहप्रसरण की भी गणना की जाएगी। शायद सहप्रसरण ट्रक की गति के समानुपाती होता है क्योंकि हम उच्च गति पर मृत गणना स्थिति अनुमान की सटीकता के बारे में अधिक अनिश्चित होते हैं लेकिन कम गति पर स्थिति अनुमान के बारे में बहुत निश्चित होते हैं। अगला, अद्यतन चरण में, ट्रक की स्थिति का माप जीपीएस ईकाई से लिया जाता है। इस माप के साथ कुछ मात्रा में अनिश्चितता आती है, और पिछले चरण की भविष्यवाणी के सापेक्ष इसका सहप्रसरण यह निर्धारित करता है कि नया माप अद्यतन भविष्यवाणी को कितना प्रभावित करेगा। आदर्श रूप से, चूंकि मृत गणना अनुमान वास्तविक स्थिति से दूर हो जाते हैं, जीपीएस मापन को स्थिति अनुमान को वास्तविक स्थिति की ओर वापस खींचना चाहिए, लेकिन इसे नॉइज़ और तेजी से कूदने के बिंदु पर परेशान नहीं करना चाहिए।

प्रौद्योगिकीय विवरण और संदर्भ

कलमन निस्यंदक एक कुशल पुनरावर्ती निस्यंदक अनुमानक है जो सांख्यिकीय नॉइज़ माप की एक श्रृंखला से एक रैखिक गतिशील प्रणाली की आंतरिक स्थिति है। इसका उपयोग राडार और कंप्यूटर दृष्टी से लेकर संरचनात्मक मैक्रोइकॉनॉमिक प्रतिरूप के आकलन के लिए अभियांत्रिकी और अर्थमितीय अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है, और नियंत्रण सिद्धांत और नियंत्रण प्रणाली इंजीनियरिंग में एक महत्वपूर्ण विषय है। रैखिक-द्विघात नियामक (LQR) के साथ, कलमन निस्यंदक रैखिक-द्विघात-गॉसियन नियंत्रण समस्या (LQG) को हल करता है। कलमन निस्यंदक, रैखिक-द्विघात नियामक, और रैखिक-द्विघात-गॉसियन नियंत्रक ऐसे समाधान हैं जो यकीनन नियंत्रण सिद्धांत की सबसे मूलभूत समस्याएं हैं।

अधिकांश अनुप्रयोगों में, आंतरिक स्थिति कुछ अवलोकन योग्य मापदंडों की तुलना में बहुत बड़ी होती है (इसमें स्वतंत्रता की अधिक डिग्री (भौतिकी और रसायन विज्ञान) होती है) जिन्हें मापा जाता है। हालांकि, माप की एक श्रृंखला के संयोजन से, कलमन निस्यंदक संपूर्ण आंतरिक स्थिति का अनुमान लगा सकता है।

डेम्पस्टर-शेफ़र सिद्धांत के लिए, प्रत्येक अवस्था समीकरण या अवलोकन को एक रैखिक विश्वास प्रकार्य का एक विशेष मामला माना जाता है और कलमन निस्यंदन एक जॉइन-ट्री या मार्कोव श्रृंखला पर रैखिक विश्वास कार्यों के संयोजन का एक विशेष मामला है। अतिरिक्त विधियों में विश्वास निस्यंदन सम्मिलित है जो अवस्था समीकरणों के लिए बेयस या साक्ष्य अद्यतन का उपयोग करती है।

कलमन के मूल सूत्रीकरण से अब तक कलमन निस्यंदक की एक विस्तृत विविधता मौजूद है - जिसे अब साधारण कलमन निस्यंदक कहा जाता है, कलमैन-बुकी निस्यंदक, श्मिट का विस्तारित निस्यंदक, # सूचना निस्यंदक, और विभिन्न प्रकार के वर्ग-रूट निस्यंदक जिन्हें बायरमैन द्वारा विकसित किया गया था। , थॉर्नटन, और कई अन्य। शायद सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला प्रकार का बहुत ही सरल कलमन निस्यंदक चरण-लॉक लूप है, जो अब रेडियो में सर्वव्यापी है, विशेष रूप से आवृत्ति मॉड्यूलेशन (एफएम) रेडियो, टेलीविजन सेट, उपग्रह संचार रिसीवर, बाहरी अंतरिक्ष संचार प्रणाली, और लगभग किसी भी अन्य इलेक्ट्रानिक्स । संचार उपकरण।

अंतर्निहित गतिशील प्रणाली प्रतिरूप

कलमन निस्यंदन समय क्षेत्र में विवेकाधीन रैखिक गतिशील प्रणालियों पर आधारित है। वे सामान्य वितरण नॉइज़ (भौतिकी) को सम्मिलित करने वाली त्रुटियों से परेशान रैखिक ऑपरेटर ों पर निर्मित एक मार्कोव श्रृंखला पर तैयार किए गए हैं। लक्ष्य प्रणाली का अवस्था स्थान (नियंत्रण) ब्याज की जमीनी सच्चाई (अभी तक छिपी हुई) प्रणाली विन्यास को संदर्भित करता है, जिसे वास्तविक संख्या ओं के सदिश स्थल के रूप में दर्शाया जाता है। प्रत्येक असतत समय वृद्धि पर, नए अवस्था को उत्पन्न करने के लिए एक रैखिक ऑपरेटर को अवस्था में अनुप्रयुक्त किया जाता है, जिसमें कुछ नॉइज़ मिश्रित होता है, और वैकल्पिक रूप से प्रणाली पर नियंत्रण से कुछ जानकारी यदि वे ज्ञात हैं। फिर, अधिक नॉइज़ के साथ मिश्रित एक और रैखिक ऑपरेटर वास्तविक (छिपी हुई) स्थिति से मापने योग्य आउटपुट (अर्थात्, अवलोकन) उत्पन्न करता है। कलमैन निस्यंदक को छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप के समान माना जा सकता है, इस अंतर के साथ कि छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप के लिए असतत अवस्था स्थान के विपरीत छिपे हुए अवस्था चर के निरंतर स्थान में मान होते हैं। कलमन निस्यंदक के समीकरणों और छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप के समीकरणों के मध्य एक मजबूत सादृश्य है। रोविस और ज़ब्न जहरमान (1999) में इस और अन्य प्रतिरूपों की समीक्षा दी गई है। और हैमिल्टन (1994), अध्याय 13. एक प्रक्रिया की आंतरिक स्थिति का अनुमान लगाने के लिए कलमन निस्यंदक का उपयोग करने के लिए केवल नॉइज़ टिप्पणियों का एक क्रम दिया जाता है, किसी को निम्नलिखित ढांचे के अनुसार प्रक्रिया को प्रतिरूप करना चाहिए। इसका मतलब है कि प्रत्येक समय-चरण k के लिए आव्यूह निर्दिष्ट करना, निम्नलिखित:

• 'एफ'_k, अवस्था-संक्रमण प्रतिरूप;
• एच_k, अवलोकन प्रतिरूप;
• क्यू_k, प्रक्रिया नॉइज़ का सहप्रसरण;
• आर_k, प्रेक्षण नॉइज़ का सहप्रसरण;
• और कभी कभी बी_k, नियंत्रण-इनपुट प्रतिरूप जैसा कि नीचे वर्णित है; अगर बी_k सम्मिलित है, तो वहाँ भी है
• आप_k, नियंत्रण वेक्टर, नियंत्रण-इनपुट प्रतिरूप में नियंत्रित इनपुट का प्रतिनिधित्व करता है।

कलमन निस्यंदक अंतर्निहित प्रतिरूप। वर्ग आव्यूह का प्रतिनिधित्व करते हैं। अंडाकार बहुभिन्नरूपी सामान्य वितरण का प्रतिनिधित्व करते हैं (माध्य और सहप्रसरण आव्यूह संलग्न के साथ)। बंद मान सदिश स्थान हैं। साधारण स्थितियो के लिए, विभिन्न आव्यूह समय के साथ स्थिर होते हैं, और इस प्रकार सबस्क्रिप्ट का उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन कलमन निस्यंदन उनमें से किसी को भी हर बार कदम परिवर्तित करने की अनुमति देता है।

Kalman निस्यंदक प्रतिरूप वास्तविक स्थिति को मानता है जब k अवस्था से (k − 1) के अनुसार विकसित होता है

$\mathbf {x} _{k}=\mathbf {F} _{k}\mathbf {x} _{k-1}+\mathbf {B} _{k}\mathbf {u} _{k}+\mathbf {w} _{k}$

जहांपे

• एफ_k अवस्था संक्रमण प्रतिरूप है जो पिछले अवस्था x . पर अनुप्रयुक्त होता है_k−1;
• बी_k नियंत्रण-इनपुट प्रतिरूप है जो नियंत्रण वेक्टर u पर अनुप्रयुक्त होता है_k;
• में_k प्रक्रिया नॉइज़ है, जिसे शून्य माध्य बहुभिन्नरूपी सामान्य वितरण से लिया गया माना जाता है, ${\mathcal {N}}$, सहप्रसरण आव्यूह के साथ, Q_k: $\mathbf {w} _{k}\sim {\mathcal {N}}\left(0,\mathbf {Q} _{k}\right)$.

समय k पर एक प्रेक्षण (या माप) 'z'_k वास्तविक अवस्था का x_k के अनुसार बनाया गया है

$\mathbf {z} _{k}=\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k}+\mathbf {v} _{k}$

जहांपे

• एच_k अवलोकन प्रतिरूप है, जो वास्तविक स्थिति स्थान को प्रेक्षित स्थान में मैप करता है और
• वी_k अवलोकन नॉइज़ है, जिसे सहप्रसरण R . के साथ शून्य माध्य गॉसियन सफेद नॉइज़ माना जाता है_k: $\mathbf {v} _{k}\sim {\mathcal {N}}\left(0,\mathbf {R} _{k}\right)$.

प्रारंभिक अवस्था, और प्रत्येक चरण पर नॉइज़ वैक्टर {x₀, में₁, ..., में_k, में₁, ... ,में_k} सभी को पारस्परिक रूप से सांख्यिकीय स्वतंत्रता माना जाता है।

कई रीयल-टाइम डायनेमिक प्रणाली इस प्रतिरूप के पूर्णतया अनुरूप नहीं हैं। वास्तव में, बिना प्रतिरूप की गतिशीलता निस्यंदक के प्रदर्शन को गंभीर रूप से खराब कर सकती है, तब भी जब इसे इनपुट के रूप में अज्ञात स्टोकेस्टिक संकेतों के साथ कार्य करना चाहिए था। इसका कारण यह है कि अनप्रतिरूप्ड डायनामिक्स का प्रभाव इनपुट पर निर्भर करता है, और इसलिए, अनुमान कलन विधि को अस्थिरता में ला सकता है (यह विचलन करता है)। दूसरी ओर, स्वतंत्र श्वेत नॉइज़ संकेत कलन विधि को विचलन नहीं करेंगे। मापन नॉइज़ और अनप्रतिरूप गतिकी के मध्य अंतर करने की समस्या एक कठिन है और इसे मजबूत नियंत्रण का उपयोग करते हुए नियंत्रण सिद्धांत की समस्या के रूप में माना जाता है।

विवरण

कलमन निस्यंदक एक अनंत आवेग प्रतिक्रिया अनुमानक है। इसका मतलब यह है कि वर्तमान स्थिति के अनुमान की गणना करने के लिए पिछले समय के चरण और वर्तमान माप से केवल अनुमानित स्थिति की आवश्यकता है। बैच अनुमान प्रविधिों के विपरीत, अवलोकनों और/या अनुमानों के इतिहास की आवश्यकता नहीं है। निम्नलिखित में, संकेतन ${\hat {\mathbf {x} }}_{n\mid m}$ के अनुमान का प्रतिनिधित्व करता है $\mathbf {x}$ समय पर n दिए गए अवलोकन और समय तक सम्मिलित हैं m ≤ n.

निस्यंदक की स्थिति को दो चर द्वारा दर्शाया जाता है:

• ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$, एक पश्चवर्ती अवस्था का अनुमान समय k पर दिया गया है और इसमें समय k भी सम्मिलित है;
• $\mathbf {P} _{k\mid k}$, एक पोस्टीरियरी अनुमान सहप्रसरण आव्यूह (अनुमानित सटीकता और अवस्था अनुमान की सटीकता का एक उपाय)।

कलमन निस्यंदक की कलन विधि संरचना अल्फा बीटा निस्यंदक के समान होती है। कलमन निस्यंदक को एकल समीकरण के रूप में लिखा जा सकता है; हालांकि, इसे प्रायः दो अलग-अलग चरणों के रूप में परिकल्पित किया जाता है: भविष्यवाणी और अद्यतन। भविष्यवाणी चरण वर्तमान समय पर अवस्था का अनुमान लगाने के लिए पिछले टाइमस्टेप से अवस्था अनुमान का उपयोग करता है। इस अनुमानित अवस्था अनुमान को प्राथमिक अवस्था अनुमान के रूप में भी जाना जाता है क्योंकि, हालांकि यह वर्तमान समय पर अवस्था का अनुमान है, इसमें वर्तमान समय-चरण से अवलोकन जानकारी सम्मिलित नहीं है। अद्यतन चरण में, नवाचार (सिग्नल प्रोसेसिंग) (प्री-फिट अवशिष्ट), अर्थात् वर्तमान एक प्राथमिक भविष्यवाणी और वर्तमान अवलोकन जानकारी के मध्य का अंतर, इष्टतम कलमन लाभ से गुणा किया जाता है और परिष्कृत करने के लिए पिछले अवस्था अनुमान के साथ जोड़ा जाता है। अवस्था का अनुमान। वर्तमान अवलोकन के आधार पर इस उन्नत अनुमान को पश्चवर्ती अवस्था अनुमान कहा जाता है।

आम तौर पर, दो चरण वैकल्पिक होते हैं, भविष्यवाणी अगले अनुसूचित अवलोकन तक अवस्था को आगे बढ़ाती है, और अद्यतन अवलोकन को सम्मिलित करता है। हालाँकि, यह आवश्यक नहीं है; यदि किसी कारण से कोई अवलोकन अनुपलब्ध है, तो अद्यतन को छोड़ दिया जा सकता है और कई पूर्वानुमान प्रक्रियाएं की जा सकती हैं। इसी तरह, यदि एक ही समय में कई स्वतंत्र अवलोकन उपलब्ध हैं, तो कई अद्यतन प्रक्रियाएं की जा सकती हैं (आमतौर पर विभिन्न अवलोकन आव्यूह 'एच' के साथ)_k).

भविष्यवाणी

अनुमानित (प्राथमिकता) अवस्था का अनुमान	${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}=\mathbf {F} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}+\mathbf {B} _{k}\mathbf {u} _{k}$
अनुमानित (प्राथमिकता) सहप्रसरण का अनुमान	$\mathbf {P} _{k\mid k-1}=\mathbf {F} _{k}\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}\mathbf {F} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} _{k}$

नवीनीकरण

नवाचार या माप पूर्व-फिट अवशिष्ट	${\tilde {\mathbf {y} }}_{k}=\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}$
नवोन्मेष (या पूर्व-फिट अवशिष्ट) सहप्रसरण	$\mathbf {S} _{k}=\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {R} _{k}$
इष्टतम कलमन लाभ	$\mathbf {K} _{k}=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1}$
अद्यतित (एक उत्तरवर्ती) अवस्था का अनुमान	${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}={\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}{\tilde {\mathbf {y} }}_{k}$
अद्यतनीकृत (एक पश्चवर्ती) सहप्रसरण का अनुमान	$\mathbf {P} _{k|k}=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k|k-1}$
मापन पोस्ट-फिट अवशिष्ट	${\tilde {\mathbf {y} }}_{k\mid k}=\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$

उपरोक्त अद्यतन (एक पश्चवर्ती) अनुमान सहप्रसरण के लिए सूत्र इष्टतम K_k लाभ के लिए मान्य है, जो अवशिष्ट त्रुटि को कम करता है, जिस रूप में यह अनुप्रयोगों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सूत्रों का प्रमाण व्युत्पत्ति अनुभाग में मिलता है, जहाँ किसी K_k के लिए मान्य सूत्र भी दर्शाया गया है।

अद्यतन अवस्था अनुमान को व्यक्त करने का एक अधिक सहज प्रणाली (${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$) है:

${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}=(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}){\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}(\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k}+\mathbf {v} _{k})$

यह अभिव्यक्ति हमें एक रैखिक प्रक्षेप का स्मरण कराती है, $x=(1-t)(a)+t(b)$ के लिये $t$ [0,1] के मध्य हमारी स्थितियो में:

• $t$ कलमन लाभ ($\mathbf {K} _{k}$) है, एक आव्यूह जो $0$ (संवेदक में उच्च त्रुटि) से $I$ (कम त्रुटि) मान लेता है ।
• $a$ प्रतिरूप से अनुमानित मान है।
• $b$ माप से मान है।

यह व्यंजक अल्फ़ा बीटा निस्यंदक अद्यतन चरण के समान भी है।

अपरिवर्तनीय

यदि प्रतिरूप सटीक है, और ${\hat {\mathbf {x} }}_{0\mid 0}$ तथा $\mathbf {P} _{0\mid 0}$ के लिए मान प्रारंभिक अवस्था मानो के वितरण को सटीक रूप से दर्शाता है, तोनिम्नलिखित अपरिवर्तनीय संरक्षित हैं:

${\begin{aligned}\operatorname {E} [\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}]&=\operatorname {E} [\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}]=0\\\operatorname {E} [{\tilde {\mathbf {y} }}_{k}]&=0\end{aligned}}$

जहां $\operatorname {E} [\xi ]$ का अपेक्षित मान $\xi$ है, अर्थात् सभी अनुमानों में शून्य की औसत त्रुटि होती है।

और:

${\begin{aligned}\mathbf {P} _{k\mid k}&=\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)\\\mathbf {P} _{k\mid k-1}&=\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\\\mathbf {S} _{k}&=\operatorname {cov} \left({\tilde {\mathbf {y} }}_{k}\right)\end{aligned}}$

इसलिए सहप्रसरण आव्यूह अनुमानों के सहप्रसरण को सटीक रूप से दर्शाते हैं।

नॉइज़ सहप्रसरण Q_k और R_k का अनुमान

नॉइज़ सहप्रसरण आव्यूह Q_k और आर_k का एक उत्तम अनुमान प्राप्त करने में कठिनाई के कारण कलमन निस्यंदक का व्यावहारिक कार्यान्वयन प्रायः कठिन होता है। डेटा से इन सहप्रसरणों का अनुमान लगाने के लिए व्यापक अन्वेषण किया गया है। ऐसा करने की एक व्यावहारिक प्रणाली स्वसहप्रसरण न्यूनतम वर्ग (ALS) प्रविधि है, जो सहप्रसरण का अनुमान लगाने के लिए नियमित संचालन डेटा के समय-अंतराल स्वसहप्रसरण का उपयोग करता है। जीएनयू अष्टक और मैटलैब कोड और एएलएस प्रविधि का उपयोग करके नॉइज़ सहप्रसरण आव्यूह की गणना करने के लिए किया जाता है, जो जीएनयू सामान्य जनता अनुज्ञप्ति का उपयोग करके लाइनेतर उपलब्ध है। क्षेत्र कलमन निस्यंदक (FKF), एक बायेसियन कलन विधि, जो अवस्था, मापदंडों और नॉइज़ सहप्रसरण के एक साथ आकलन की अनुमति देता है। एफकेएफ कलन विधियों में एक पुनरावर्ती सूत्रीकरण, उत्तम प्रेक्षित अभिसरण और अपेक्षाकृत कम जटिलता है। इस प्रकार यह संसूचन देता है कि एफकेएफ कलन विधि संभवतः स्वसहप्रसरण न्यूनतम वर्ग विधियों का एक सार्थक विकल्प हो सकता है।

इष्टतमता और प्रदर्शन

यह सिद्धांत से निम्नानुसार है कि कलमैन निस्यंदक उन स्थितियो में इष्टतम रैखिक निस्यंदक है जहां ए) प्रतिरूप वास्तविक प्रणाली से पूरी तरह मेल खाता है, बी) प्रवेश नॉइज़ सफेद (असंबद्ध) है और सी) नॉइज़ के सहसंयोजक पूर्णतया ज्ञात हैं। कलमन निस्यंदक का उपयोग करके सहसंबद्ध नॉइज़ का भी इलाज किया जा सकता है। पिछले दशकों के पर्यंत नॉइज़ सहसंयोजक अनुमान के लिए कई प्रणाली प्रस्तावित की गयी हैं, जिनमें एएलएस भी सम्मिलित है, जिसका उल्लेख ऊपर के खंड में किया गया है। सहप्रसरणों का अनुमान लगाने के बाद, निस्यंदक के प्रदर्शन का मूल्यांकन करना उपयोगी होता है; अर्थात् क्या अवस्था के आकलन की गुणवत्ता में सुधार संभव है। यदि कलमन निस्यंदक उन्नत विधि से कार्य करता है, तो इनोवेशन सीक्वेंस (आउटपुट प्रेडिक्शन एरर) एक सफेद नॉइज़ है, इसलिए इनोवेशन (सिग्नल प्रोसेसिंग) की व्हाइटनेस प्रॉपर्टी निस्यंदक के प्रदर्शन को मापती है। इस उद्देश्य के लिए कई अलग-अलग प्रणालियो का उपयोग किया जा सकता है। यदि नॉइज़ की शर्तों को गैर-गॉसियन विधि से वितरित किया जाता है, तो निस्यंदक अनुमान के प्रदर्शन का आकलन करने के विधि, जो संभाव्यता असमानताओं या बड़े-प्रतिरूप सिद्धांत का उपयोग करते हैं, साहित्य में जाने जाते हैं।

उदाहरण आवेदन, प्रौद्योगिकीय

  सत्य;   निस्यंदक्ड प्रक्रिया;   अवलोकन।

घर्षण रहित, सीधी रेल पर एक ट्रक पर विचार करें। प्रारंभ में, ट्रक 0 की स्थिति में स्थिर होता है, लेकिन इसे इस तरह से और बेतरतीब अनियंत्रित बलों द्वारा बुफे किया जाता है। हम हर Δt सेकंड में ट्रक की स्थिति को मापते हैं, लेकिन ये माप सटीक नहीं हैं; हम ट्रक की स्थिति और वेग का एक प्रतिरूप बनाए रखना चाहते हैं। हम यहां दिखाते हैं कि हम उस प्रतिरूप को कैसे प्राप्त करते हैं जिससे हम अपना कलमन निस्यंदक बनाते हैं।

तब से $\mathbf {F} ,\mathbf {H} ,\mathbf {R} ,\mathbf {Q}$ स्थिर हैं, उनका समय सूचकांक गिरा दिया गया है।

ट्रक की स्थिति और वेग को रेखीय अवस्था स्थान द्वारा वर्णित किया जाता है

$\mathbf {x} _{k}={\begin{bmatrix}x\\{\dot {x}}\end{bmatrix}}$

जहांपे ${\dot {x}}$ वेग है, जो समय के संबंध में स्थिति का व्युत्पन्न है।

हम मानते हैं कि (k − 1) और k टाइमस्टेप के मध्य अनियंत्रित बल a . के निरंतर त्वरण का कारण बनते हैं_k यह सामान्य वितरण है, जिसका मतलब 0 और मानक विचलन है_a. न्यूटन के गति के नियमों से हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि

$\mathbf {x} _{k}=\mathbf {F} \mathbf {x} _{k-1}+\mathbf {G} a_{k}$

(कोई नहीं है $\mathbf {B} u$ शब्द क्योंकि कोई ज्ञात नियंत्रण इनपुट नहीं हैं। इसके बजाय, ए_k एक अज्ञात इनपुट का प्रभाव है और $\mathbf {G}$ उस प्रभाव को अवस्था वेक्टर पर अनुप्रयुक्त करता है) जहां

${\begin{aligned}\mathbf {F} &={\begin{bmatrix}1&\Delta t\\0&1\end{bmatrix}}\\[4pt]\mathbf {G} &={\begin{bmatrix}{\frac {1}{2}}{\Delta t}^{2}\\[6pt]\Delta t\end{bmatrix}}\end{aligned}}$

ताकि

$\mathbf {x} _{k}=\mathbf {F} \mathbf {x} _{k-1}+\mathbf {w} _{k}$

जहांपे

${\begin{aligned}\mathbf {w} _{k}&\sim N(0,\mathbf {Q} )\\\mathbf {Q} &=\mathbf {G} \mathbf {G} ^{\textsf {T}}\sigma _{a}^{2}={\begin{bmatrix}{\frac {1}{4}}{\Delta t}^{4}&{\frac {1}{2}}{\Delta t}^{3}\\[6pt]{\frac {1}{2}}{\Delta t}^{3}&{\Delta t}^{2}\end{bmatrix}}\sigma _{a}^{2}.\end{aligned}}$

साँचा $\mathbf {Q}$ पूर्ण रैंक नहीं है (यह रैंक एक का है यदि $\Delta t\neq 0$) इसलिए, वितरण $N(0,\mathbf {Q} )$ पूरी तरह से निरंतर नहीं है और इसमें बहुभिन्नरूपी सामान्य वितरण#डीजनरेट केस है। इसे व्यक्त करने का एक अन्य प्रणाली, स्पष्ट पतित वितरणों से बचना किसके द्वारा दिया गया है

$\mathbf {w} _{k}\sim \mathbf {G} \cdot N\left(0,\sigma _{a}^{2}\right).$

प्रत्येक समय चरण में, ट्रक की सही स्थिति का एक नॉइज़ माप किया जाता है। आइए मान लें कि माप नॉइज़ v_k माध्य 0 और मानक विचलन के साथ सामान्य रूप से भी वितरित किया जाता है_z.

$\mathbf {z} _{k}=\mathbf {Hx} _{k}+\mathbf {v} _{k}$

जहांपे

$\mathbf {H} ={\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}}$

तथा

$\mathbf {R} =\mathrm {E} \left[\mathbf {v} _{k}\mathbf {v} _{k}^{\textsf {T}}\right]={\begin{bmatrix}\sigma _{z}^{2}\end{bmatrix}}$

हम ट्रक की प्रारंभिक प्रारंभिक स्थिति को पूर्ण सटीकता के साथ जानते हैं, इसलिए हम प्रारंभ करते हैं

${\hat {\mathbf {x} }}_{0\mid 0}={\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}}$

और निस्यंदक को यह बताने के लिए कि हम सटीक स्थिति और वेग जानते हैं, हम इसे एक शून्य सहप्रसरण आव्यूह देते हैं:

$\mathbf {P} _{0\mid 0}={\begin{bmatrix}0&0\\0&0\end{bmatrix}}$

यदि प्रारंभिक स्थिति और वेग पूरी तरह से ज्ञात नहीं हैं, तो कॉन्वर्सिस आव्यूह को इसके विकर्ण पर उपयुक्त भिन्नताओं के साथ प्रारंभ किया जाना चाहिए:

$\mathbf {P} _{0\mid 0}={\begin{bmatrix}\sigma _{x}^{2}&0\\0&\sigma _{\dot {x}}^{2}\end{bmatrix}}$

निस्यंदक तब पहले माप की जानकारी को प्रतिरूप में पहले से मौजूद जानकारी से अधिक पसंद करेगा।

स्पर्शोन्मुख रूप

सादगी के लिए, मान लें कि नियंत्रण इनपुट $\mathbf {u} _{k}=\mathbf {0}$. तब कलमन निस्यंदक लिखा जा सकता है:

${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}=\mathbf {F} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}[\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} _{k}\mathbf {F} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}].$

यदि हम एक गैर-शून्य नियंत्रण इनपुट सम्मिलित करते हैं तो एक समान समीकरण होता है। गेन मैट्रिसेस $\mathbf {K} _{k}$ माप के स्वतंत्र रूप से विकसित $\mathbf {z} _{k}$. ऊपर से, कलमन लाभ को अद्यतन करने के लिए आवश्यक चार समीकरण इस प्रकार हैं:

${\begin{aligned}\mathbf {P} _{k\mid k-1}&=\mathbf {F} _{k}\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}\mathbf {F} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} _{k},\\\mathbf {S} _{k}&=\mathbf {R} _{k}+\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}},\\\mathbf {K} _{k}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1},\\\mathbf {P} _{k|k}&=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k|k-1}.\end{aligned}}$

चूंकि लाभ आव्यूह केवल प्रतिरूप पर निर्भर करते हैं, न कि माप पर, उनकी गणना ऑफ़लाइन की जा सकती है। गेन मैट्रिसेस का अभिसरण $\mathbf {K} _{k}$ एक स्पर्शोन्मुख आव्यूह के लिए $\mathbf {K} _{\infty }$ वालरैंड और डिमाकिस में स्थापित शर्तों के लिए अनुप्रयुक्त होता है। सिमुलेशन अभिसरण के चरणों की संख्या स्थापित करते हैं। ऊपर वर्णित चलती ट्रक के उदाहरण के लिए $\Delta t=1$. तथा $\sigma _{a}^{2}=\sigma _{z}^{2}=\sigma _{x}^{2}=\sigma _{\dot {x}}^{2}=1$, सिमुलेशन में अभिसरण दिखाता है $10$ पुनरावृत्तियों

स्पर्शोन्मुख लाभ का उपयोग करना, और मान लेना $\mathbf {H} _{k}$ तथा $\mathbf {F} _{k}$ से स्वतंत्र हैं $k$, कलमन निस्यंदक एक रेखीय समय-अपरिवर्तनीय निस्यंदक बन जाता है:

${\hat {\mathbf {x} }}_{k}=\mathbf {F} {\hat {\mathbf {x} }}_{k-1}+\mathbf {K} _{\infty }[\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} \mathbf {F} {\hat {\mathbf {x} }}_{k-1}].$

स्पर्शोन्मुख लाभ $\mathbf {K} _{\infty }$, यदि यह मौजूद है, तो पहले एसिम्प्टोटिक अवस्था सहप्रसरण के लिए निम्नलिखित असतत रिकाटी समीकरण को हल करके गणना की जा सकती है $\mathbf {P} _{\infty }$:

$\mathbf {P} _{\infty }=\mathbf {F} \left(\mathbf {P} _{\infty }-\mathbf {P} _{\infty }\mathbf {H} ^{\textsf {T}}\left(\mathbf {H} \mathbf {P} _{\infty }\mathbf {H} ^{\textsf {T}}+\mathbf {R} \right)^{-1}\mathbf {H} \mathbf {P} _{\infty }\right)\mathbf {F} ^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} .$

स्पर्शोन्मुख लाभ की गणना पहले की तरह की जाती है।

$\mathbf {K} _{\infty }=\mathbf {P} _{\infty }\mathbf {H} ^{\textsf {T}}\left(\mathbf {R} +\mathbf {H} \mathbf {P} _{\infty }\mathbf {H} ^{\textsf {T}}\right)^{-1}.$

व्युत्पत्ति

कलमन निस्यंदक को पिछले डेटा पर संचालित सामान्यीकृत कम से कम वर्ग विधि के रूप में प्राप्त किया जा सकता है।

पश्चवर्ती अनुमान सहप्रसरण आव्यूह प्राप्त करना

त्रुटि सहप्रसरण 'P' पर हमारे अपरिवर्तनीय से प्रारंभ करना_k | k ऊपरोक्त अनुसार

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)$

की परिभाषा में स्थानापन्न ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left[\mathbf {x} _{k}-\left({\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}{\tilde {\mathbf {y} }}_{k}\right)\right]$

और स्थानापन्न ${\tilde {\mathbf {y} }}_{k}$

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-\left[{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}\left(\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\right]\right)$

तथा $\mathbf {z} _{k}$

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-\left[{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k}+\mathbf {v} _{k}-\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\right]\right)$

और त्रुटि वैक्टर को इकट्ठा करके हम प्राप्त करते हैं

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left[\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)-\mathbf {K} _{k}\mathbf {v} _{k}\right]$

चूंकि माप त्रुटि v_k अन्य शर्तों के साथ असंबंधित है, यह बन जाता है

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\operatorname {cov} \left[\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\right]+\operatorname {cov} \left[\mathbf {K} _{k}\mathbf {v} _{k}\right]$

सहप्रसरण आव्यूह के गुणों से यह बन जाता है

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\operatorname {cov} \left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\operatorname {cov} \left(\mathbf {v} _{k}\right)\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

जो, P . पर हमारे इनवेरिएंट का उपयोग करते हुए_k | k−1 और R . की परिभाषा_k हो जाता है

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k\mid k-1}\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {R} _{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

यह सूत्र (कभी-कभी सहप्रसरण अद्यतन समीकरण के जोसफ रूप के रूप में जाना जाता है) K . के किसी भी मान के लिए मान्य है_k. यह पता चला है कि अगर K_k इष्टतम कलमन लाभ है, इसे और सरल बनाया जा सकता है जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

कलमन गेन व्युत्पत्ति

कलमन निस्यंदक एक न्यूनतम माध्य-वर्ग त्रुटि अनुमानक है। पश्चवर्ती अवस्था अनुमान में त्रुटि है

$\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$

हम इस वेक्टर के परिमाण के वर्ग के अपेक्षित मूल्य को कम करना चाहते हैं, $\operatorname {E} \left[\left\|\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k|k}\right\|^{2}\right]$. यह पोस्टीरियरी अनुमान सहप्रसरण आव्यूह के ट्रेस (आव्यूह) को कम करने के बराबर है $\mathbf {P} _{k|k}$. उपरोक्त समीकरण में शर्तों का विस्तार करने और एकत्रित करने से, हम प्राप्त करते हैं:

${\begin{aligned}\mathbf {P} _{k\mid k}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {R} _{k}\right)\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}\\[6pt]&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {S} _{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}\end{aligned}}$

ट्रेस को कम किया जाता है जब लाभ आव्यूह के संबंध में इसका आव्यूह कैलकुलस शून्य होता है। आव्यूह कैलकुलस का उपयोग करना#पहचान और सम्मिलित आव्यूह की समरूपता हम पाते हैं कि

${\frac {\partial \;\operatorname {tr} (\mathbf {P} _{k\mid k})}{\partial \;\mathbf {K} _{k}}}=-2\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\right)^{\textsf {T}}+2\mathbf {K} _{k}\mathbf {S} _{k}=0.$

K . के लिए इसे हल करना_k कलमन लाभ प्राप्त करता है:

${\begin{aligned}\mathbf {K} _{k}\mathbf {S} _{k}&=\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\right)^{\textsf {T}}=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\\\Rightarrow \mathbf {K} _{k}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1}\end{aligned}}$

यह लाभ, जिसे इष्टतम कलमन लाभ के रूप में जाना जाता है, वह है जो उपयोग किए जाने पर न्यूनतम माध्य वर्ग त्रुटि अनुमान उत्पन्न करता है।

पश्च त्रुटि सहप्रसरण सूत्र का सरलीकरण

पोस्टीरियरी एरर कॉन्वर्सिस की गणना के लिए उपयोग किए जाने वाले सूत्र को सरल बनाया जा सकता है जब कलमैन गेन ऊपर व्युत्पन्न इष्टतम मूल्य के बराबर हो। हमारे कलमन गेन फॉर्मूले के दोनों पक्षों को दाईं ओर 'S' से गुणा करने पर_kK_k^टी, यह इस प्रकार है

$\mathbf {K} _{k}\mathbf {S} _{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

पोस्टीरियर एरर कॉन्वर्सिस के लिए हमारे विस्तारित फॉर्मूले का जिक्र करते हुए,

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {S} _{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

हम पाते हैं कि अंतिम दो शर्तें रद्द कर दी गई हैं

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}=(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k})\mathbf {P} _{k\mid k-1}.$

यह सूत्र कम्प्यूटेशनल रूप से सस्ता है और इस प्रकार लगभग हमेशा व्यवहार में उपयोग किया जाता है, लेकिन यह केवल इष्टतम लाभ के लिए सही है। यदि अंकगणितीय परिशुद्धता असामान्य रूप से कम है जिससे संख्यात्मक स्थिरता के साथ समस्याएं उत्पन्न होती हैं, या यदि एक गैर-इष्टतम कलमैन लाभ जानबूझकर उपयोग किया जाता है, तो यह सरलीकरण अनुप्रयुक्त नहीं किया जा सकता है; उपरोक्त व्युत्पन्न (जोसेफ फॉर्म) के रूप में एक पश्चवर्ती त्रुटि सहप्रसरण सूत्र का उपयोग किया जाना चाहिए।

संवेदनशीलता विश्लेषण

कलमन निस्यंदन समीकरण अवस्था का अनुमान प्रदान करते हैं ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$ और इसकी त्रुटि सहप्रसरण $\mathbf {P} _{k\mid k}$ पुनरावर्ती रूप से। अनुमान और इसकी गुणवत्ता प्रणाली पैरामीटर और अनुमानक को इनपुट के रूप में खिलाए गए नॉइज़ आंकड़ों पर निर्भर करती है। यह खंड निस्यंदक के लिए सांख्यिकीय इनपुट में अनिश्चितताओं के प्रभाव का विश्लेषण करता है। विश्वसनीय आँकड़ों या नॉइज़ सहप्रसरण आव्यूह के सही मूल्यों के अभाव में $\mathbf {Q} _{k}$ तथा $\mathbf {R} _{k}$, भावाभिव्यक्ति

$\mathbf {P} _{k\mid k}=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k\mid k-1}\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {R} _{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

अब वास्तविक त्रुटि सहप्रसरण प्रदान नहीं करता है। दूसरे शब्दों में, $\mathbf {P} _{k\mid k}\neq E\left[\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)^{\textsf {T}}\right]$. अधिकांश वास्तविक समय के अनुप्रयोगों में, कलमैन निस्यंदक को डिज़ाइन करने में उपयोग किए जाने वाले कॉन्वर्सिस मैट्रिसेस वास्तविक (सच्चे) नॉइज़ कॉन्वर्सिस मैट्रिसेस से भिन्न होते हैं। यह संवेदनशीलता विश्लेषण आकलन त्रुटि सहप्रसरण के व्यवहार का वर्णन करता है जब नॉइज़ सहप्रसरणों के साथ-साथ प्रणाली आव्यूह $\mathbf {F} _{k}$ तथा $\mathbf {H} _{k}$ निस्यंदक में इनपुट के रूप में फीड किए गए गलत हैं। इस प्रकार, संवेदनशीलता विश्लेषण अनुमानक को गलत निर्दिष्ट सांख्यिकीय और पैरामीट्रिक इनपुट के लिए अनुमानक की मजबूती (या संवेदनशीलता) का वर्णन करता है।

यह चर्चा सांख्यिकीय अनिश्चितताओं के स्थितियो में त्रुटि संवेदनशीलता विश्लेषण तक सीमित है। यहाँ वास्तविक नॉइज़ सहप्रसरणों को द्वारा दर्शाया गया है $\mathbf {Q} _{k}^{a}$ तथा $\mathbf {R} _{k}^{a}$ क्रमशः, जबकि अनुमानक में प्रयुक्त डिज़ाइन मान हैं $\mathbf {Q} _{k}$ तथा $\mathbf {R} _{k}$ क्रमश। वास्तविक त्रुटि सहप्रसरण द्वारा निरूपित किया जाता है $\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}$ तथा $\mathbf {P} _{k\mid k}$ Kalman निस्यंदक द्वारा गणना के रूप में Riccati चर के रूप में जाना जाता है। कब $\mathbf {Q} _{k}\equiv \mathbf {Q} _{k}^{a}$ तथा $\mathbf {R} _{k}\equiv \mathbf {R} _{k}^{a}$, इस का मतलब है कि $\mathbf {P} _{k\mid k}=\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}$. वास्तविक त्रुटि सहप्रसरण की गणना करते समय $\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}=E\left[\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)\left(\mathbf {x} _{k}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\right)^{\textsf {T}}\right]$, के लिए प्रतिस्थापन ${\widehat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$ और इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि $E\left[\mathbf {w} _{k}\mathbf {w} _{k}^{\textsf {T}}\right]=\mathbf {Q} _{k}^{a}$ तथा $E\left[\mathbf {v} _{k}\mathbf {v} _{k}^{\textsf {T}}\right]=\mathbf {R} _{k}^{a}$, के लिए निम्नलिखित पुनरावर्ती समीकरणों का परिणाम है $\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}$ :

$\mathbf {P} _{k\mid k-1}^{a}=\mathbf {F} _{k}\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}^{a}\mathbf {F} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} _{k}^{a}$

तथा

$\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k\mid k-1}^{a}\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)^{\textsf {T}}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {R} _{k}^{a}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}$

गणना करते समय $\mathbf {P} _{k\mid k}$, डिज़ाइन द्वारा निस्यंदक परोक्ष रूप से मानता है कि $E\left[\mathbf {w} _{k}\mathbf {w} _{k}^{\textsf {T}}\right]=\mathbf {Q} _{k}$ तथा $E\left[\mathbf {v} _{k}\mathbf {v} _{k}^{\textsf {T}}\right]=\mathbf {R} _{k}$. के लिए पुनरावर्ती व्यंजक $\mathbf {P} _{k\mid k}^{a}$ तथा $\mathbf {P} _{k\mid k}$ की उपस्थिति को छोड़कर समान हैं $\mathbf {Q} _{k}^{a}$ तथा $\mathbf {R} _{k}^{a}$ डिजाइन मूल्यों के स्थान पर $\mathbf {Q} _{k}$ तथा $\mathbf {R} _{k}$ क्रमश। कलमन निस्यंदक प्रणाली की मजबूती का विश्लेषण करने के लिए शोध किए गए हैं।

वर्गमूल रूप

कलमन निस्यंदक के साथ एक समस्या इसकी संख्यात्मक स्थिरता है। यदि प्रक्रिया नॉइज़ सहप्रसरण Q_k छोटा है, राउंड-ऑफ त्रुटि प्रायः एक छोटे सकारात्मक eigenvalue को ऋणात्मक संख्या के रूप में गणना करने का कारण बनती है। यह अवस्था सहसंयोजक आव्यूह पी सकारात्मक-अर्ध-परिमित आव्यूह के संख्यात्मक प्रतिनिधित्व को प्रस्तुत करता है, जबकि इसका वास्तविक रूप सकारात्मक-निश्चित आव्यूह | सकारात्मक-निश्चित है।

धनात्मक निश्चित आव्यूहों में गुण होता है कि उनके पास एक त्रिभुजाकार आव्यूह होता है जो एक आव्यूह P = S·S . का वर्गमूल होता है^{टी</सुप>. इसे चोल्स्की गुणनखंड कलन विधिका उपयोग करके कुशलता से गणना की जा सकती है, लेकिन इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यदि सहप्रसरण को इस रूप में रखा जाता है, तो इसका कभी भी ऋणात्मक विकर्ण या असममित नहीं हो सकता है। एक समान रूप, जो आव्यूह वर्गमूल द्वारा आवश्यक कई वर्गमूल संचालन से बचा जाता है, फिर भी वांछनीय संख्यात्मक गुणों को संरक्षित करता है, यू-डी अपघटन रूप है, पी = यू · डी · यूT, जहां U एक इकाई त्रिकोणीय आव्यूह (इकाई विकर्ण के साथ) है, और D एक विकर्ण आव्यूह है।}

दोनों के मध्य, U-D फ़ैक्टराइज़ेशन समान मात्रा में भंडारण का उपयोग करता है, और कुछ हद तक कम गणना, और सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला वर्गमूल रूप है। (सापेक्ष दक्षता पर प्रारंभिक साहित्य कुछ हद तक भ्रामक है, क्योंकि यह माना जाता है कि वर्गमूल विभाजनों की तुलना में अधिक समय लेने वाले थे, जबकि 21वीं सदी के कंप्यूटरों पर वे थोड़े अधिक महंगे हैं।)

कलमन भविष्यवाणी के लिए कुशल एल्गोरिदम और वर्गमूल रूप में अद्यतन चरणों को जी जे बीरमैन और सी एल थॉर्नटन द्वारा विकसित किया गया था।

एलडीएल अपघटन|एल·डी·एल^T इनोवेशन कॉन्वर्सिस आव्यूह S . का अपघटन_k एक अन्य प्रकार के संख्यात्मक रूप से कुशल और मजबूत वर्गमूल निस्यंदक का आधार है। कलन विधिLU अपघटन के साथ शुरू होता है जैसा कि रैखिक बीजगणित पैकेज (LAPACK ) में अनुप्रयुक्त किया गया है। इन परिणामों को आगे L·D·L . में विभाजित किया गया है^{एक सममित गैर-एकवचन आव्यूह के लिए गोलब और वैन लोन (एल्गोरिदम 4.1.2) द्वारा दी गई विधियों के साथ संरचना। कोई भी एकवचन सहप्रसरण आव्यूह पिवट तत्व है ताकि पहला विकर्ण विभाजन उलटा आव्यूह और शर्त संख्या | अच्छी तरह से वातानुकूलित हो। पिवोटिंग कलन विधि को इनोवेशन कॉन्वर्सिस आव्यूह के किसी भी हिस्से को सीधे देखे गए अवस्था-चर H . के अनुरूप बनाए रखना चाहिए_k·एक्स_k|k-1 जो सहायक टिप्पणियों के साथ जुड़े हुए हैं आप_k. एल · डी · एलt वर्गमूल निस्यंदक को अवलोकन वेक्टर के ओर्थोगोनलाइज़ेशन की आवश्यकता होती है।यह हिघम (2002, पृष्ठ 263) में विधि 2 का उपयोग करके सहायक चरों के लिए सहप्रसरण आव्यूह के व्युत्क्रम वर्गमूल के साथ किया जा सकता है।}

समानांतर रूप

कलमन निस्यंदक केंद्रीय प्रसंस्करण इकाइयों (सीपीयू) पर अनुक्रमिक डेटा प्रोसेसिंग के लिए कुशल है, लेकिन अपने मूल रूप में यह ग्राफिक्स प्रसंस्करण इकाइयाँ (जीपीयू) जैसे समानांतर आर्किटेक्चर पर अक्षम है। हालांकि, सरक्का (2021) में सूत्रीकरण का उपयोग करके एक सहयोगी ऑपरेटर के संदर्भ में निस्यंदक-अपडेट रूटीन को व्यक्त करना संभव है। निस्यंदक समाधान तब एक उपसर्ग योग कलन विधिके उपयोग से प्राप्त किया जा सकता है जिसे GPU पर कुशलता से अनुप्रयुक्त किया जा सकता है। यह कम्प्यूटेशनल जटिलता को कम करता है $O(N)$ समय चरणों की संख्या में $O(\log(N))$.

पुनरावर्ती बायेसियन अनुमान से संबंध

कलमन निस्यंदक को सबसे सरल गतिशील बायेसियन नेटवर्क में से एक के रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है। Kalman निस्यंदक आने वाले माप और गणितीय प्रक्रिया प्रतिरूप का उपयोग करके समय के साथ अवस्थाों के वास्तविक मूल्यों के अनुमानों की गणना करता है। इसी तरह, पुनरावर्ती बायेसियन अनुमान आने वाले माप और एक गणितीय प्रक्रिया प्रतिरूप का उपयोग करके समय के साथ एक अज्ञात संभाव्यता घनत्व प्रकार्य (पीडीएफ) के घनत्व अनुमान की गणना करता है। पुनरावर्ती बायेसियन अनुमान में, वास्तविक स्थिति को एक अप्रमाणित मार्कोव प्रक्रिया माना जाता है, और माप एक छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप (HMM) के देखे गए अवस्था हैं।

मार्कोव की धारणा के कारण, वास्तविक अवस्था पहले के सभी अवस्थाों से सशर्त रूप से स्वतंत्र है, जो तत्काल पिछले अवस्था को दिया गया है।

$p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{0},\dots ,\mathbf {x} _{k-1})=p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{k-1})$

इसी तरह, k-वें टाइमस्टेप पर माप केवल वर्तमान स्थिति पर निर्भर है और वर्तमान स्थिति को देखते हुए अन्य सभी अवस्थाों से सशर्त रूप से स्वतंत्र है।

$p(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{0},\dots ,\mathbf {x} _{k})=p(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k})$

इन मान्यताओं का उपयोग करते हुए, छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप के सभी अवस्थाों में संभाव्यता वितरण को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

$p\left(\mathbf {x} _{0},\dots ,\mathbf {x} _{k},\mathbf {z} _{1},\dots ,\mathbf {z} _{k}\right)=p\left(\mathbf {x} _{0}\right)\prod _{i=1}^{k}p\left(\mathbf {z} _{i}\mid \mathbf {x} _{i}\right)p\left(\mathbf {x} _{i}\mid \mathbf {x} _{i-1}\right)$

हालांकि, जब अवस्था x का अनुमान लगाने के लिए एक कलमन निस्यंदक का उपयोग किया जाता है, तो ब्याज की संभाव्यता वितरण वर्तमान समय-चरण तक माप पर वातानुकूलित वर्तमान अवस्थाों से जुड़ा होता है। यह पिछले अवस्थाों को हाशिए पर रखकर और माप सेट की संभावना से विभाजित करके प्राप्त किया जाता है।

इसका परिणाम "भविष्यवाणी" और "अपडेट" चरणों में होता है, जो संभावित रूप से लिखे गए कलमन निस्यंदक के चरण होते हैं। पूर्वानुमानित स्थिति से संबद्ध प्रायिकता वितरण, (k − 1)-वें टाइमस्टेप से k-वें और संक्रमण से जुड़े संभाव्यता वितरण के उत्पादों का योग (अभिन्न) है पिछली स्थिति से जुड़े संभाव्यता वितरण, हर संभव से अधिक $x_{k-1}$.

$p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)=\int p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{k-1}\right)p\left(\mathbf {x} _{k-1}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)\,d\mathbf {x} _{k-1}$

समय t के लिए निर्धारित माप है

$\mathbf {Z} _{t}=\left\{\mathbf {z} _{1},\dots ,\mathbf {z} _{t}\right\}$

अद्यतन का संभाव्यता वितरण माप की संभावना और अनुमानित स्थिति के उत्पाद के समानुपाती होता है।

$p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k}\right)={\frac {p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k}\right)p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)}{p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)}}$

भाजक

$p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)=\int p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k}\right)p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)\,d\mathbf {x} _{k}$

एक सामान्यीकरण शब्द है।

शेष संभाव्यता घनत्व कार्य हैं

${\begin{aligned}p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{k-1}\right)&={\mathcal {N}}\left(\mathbf {F} _{k}\mathbf {x} _{k-1},\mathbf {Q} _{k}\right)\\p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k}\right)&={\mathcal {N}}\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k},\mathbf {R} _{k}\right)\\p\left(\mathbf {x} _{k-1}\mid \mathbf {Z} _{k-1}\right)&={\mathcal {N}}\left({\hat {\mathbf {x} }}_{k-1},\mathbf {P} _{k-1}\right)\end{aligned}}$

पिछले टाइमस्टेप पर पीडीएफ को अनुमानित स्थिति और सहप्रसरण माना जाता है। यह उचित है क्योंकि, इष्टतम अनुमानक के रूप में, कलमन निस्यंदक माप का सर्वोत्तम उपयोग करता है, इसलिए पीडीएफ $\mathbf {x} _{k}$ माप दिया गया $\mathbf {Z} _{k}$ कलमन निस्यंदक अनुमान है।

सीमांत संभावना

ऊपर वर्णित पुनरावर्ती बायेसियन व्याख्या से संबंधित, कलमन निस्यंदक को एक जनरेटिव प्रतिरूप के रूप में देखा जा सकता है, अर्थात, यादृच्छिक अवलोकनों की एक धारा उत्पन्न करने की प्रक्रिया 'z' = ('z')₀, साथ₁, साथ₂, ...). विशेष रूप से, प्रक्रिया है

1. एक छिपी हुई स्थिति का प्रतिरूप लें $\mathbf {x} _{0}$ गॉसियन पूर्व वितरण से $p\left(\mathbf {x} _{0}\right)={\mathcal {N}}\left({\hat {\mathbf {x} }}_{0\mid 0},\mathbf {P} _{0\mid 0}\right)$.
2. एक अवलोकन का प्रतिरूप लें $\mathbf {z} _{0}$ अवलोकन प्रतिरूप से $p\left(\mathbf {z} _{0}\mid \mathbf {x} _{0}\right)={\mathcal {N}}\left(\mathbf {H} _{0}\mathbf {x} _{0},\mathbf {R} _{0}\right)$.
3. के लिये $k=1,2,3,\ldots$, करना
   1. अगले छिपे हुए अवस्था का प्रतिरूप लें $\mathbf {x} _{k}$ संक्रमण प्रतिरूप से $p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{k-1}\right)={\mathcal {N}}\left(\mathbf {F} _{k}\mathbf {x} _{k-1}+\mathbf {B} _{k}\mathbf {u} _{k},\mathbf {Q} _{k}\right).$
   2. एक अवलोकन का प्रतिरूप लें $\mathbf {z} _{k}$ अवलोकन प्रतिरूप से $p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k}\right)={\mathcal {N}}\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k},\mathbf {R} _{k}\right).$

इस प्रक्रिया में छिपे हुए मार्कोव प्रतिरूप के समान संरचना है, अतिरिक्त इसके कि असतत स्थिति और अवलोकनों को गॉसियन वितरण से प्रतिरूप निरंतर चर के साथ परिवर्तित कर दिया जाता है।

कुछ अनुप्रयोगों में, यह संभावना की गणना करने के लिए उपयोगी है कि दिए गए मापदंडों (पूर्व वितरण, संक्रमण और अवलोकन प्रतिरूप, और नियंत्रण इनपुट) के साथ एक कलमन निस्यंदक एक विशेष मनाया संकेत उत्पन्न करेगा। इस संभाव्यता को सीमांत संभावना के रूप में जाना जाता है क्योंकि यह छिपे हुए अवस्था चर के मूल्यों को एकीकृत (हाशिए पर) करता है, इसलिए इसे केवल देखे गए सिग्नल का उपयोग करके गणना की जा सकती है। सीमांत संभावना विभिन्न पैरामीटर विकल्पों का मूल्यांकन करने के लिए उपयोगी हो सकती है, या बायेसियन प्रतिरूप तुलना का उपयोग करके अन्य प्रतिरूपों के खिलाफ कलमन निस्यंदक की तुलना करने के लिए उपयोगी हो सकती है।

पुनरावर्ती निस्यंदन गणना के साइड इफेक्ट के रूप में सीमांत संभावना की गणना करना सीधा है। श्रृंखला नियम (प्रायिकता) द्वारा, संभावना को पिछले अवलोकनों में दिए गए प्रत्येक अवलोकन की संभावना के उत्पाद के रूप में माना जा सकता है,

$p(\mathbf {z} )=\prod _{k=0}^{T}p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {z} _{k-1},\ldots ,\mathbf {z} _{0}\right)$,

और क्योंकि कलमन निस्यंदक एक मार्कोव प्रक्रिया का वर्णन करता है, पिछली टिप्पणियों से सभी प्रासंगिक जानकारी वर्तमान स्थिति अनुमान में निहित है ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1},\mathbf {P} _{k\mid k-1}.$ इस प्रकार सीमांत संभावना द्वारा दी गई है

${\begin{aligned}p(\mathbf {z} )&=\prod _{k=0}^{T}\int p\left(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k}\right)p\left(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {z} _{k-1},\ldots ,\mathbf {z} _{0}\right)d\mathbf {x} _{k}\\&=\prod _{k=0}^{T}\int {\mathcal {N}}\left(\mathbf {z} _{k};\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k},\mathbf {R} _{k}\right){\mathcal {N}}\left(\mathbf {x} _{k};{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1},\mathbf {P} _{k\mid k-1}\right)d\mathbf {x} _{k}\\&=\prod _{k=0}^{T}{\mathcal {N}}\left(\mathbf {z} _{k};\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1},\mathbf {R} _{k}+\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\right)\\&=\prod _{k=0}^{T}{\mathcal {N}}\left(\mathbf {z} _{k};\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1},\mathbf {S} _{k}\right),\end{aligned}}$

अर्थात्, गॉसियन घनत्व का एक उत्पाद, प्रत्येक एक अवलोकन z . के घनत्व के अनुरूप है_k वर्तमान निस्यंदन वितरण के तहत $\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1},\mathbf {S} _{k}$. इसे आसानी से एक साधारण पुनरावर्ती अद्यतन के रूप में परिकलित किया जा सकता है; हालांकि, अंकगणितीय अंतर्प्रवाह से बचने के लिए, व्यावहारिक कार्यान्वयन में आमतौर पर लॉग सीमांत संभावना की गणना करना वांछनीय होता है $\ell =\log p(\mathbf {z} )$ बजाय। कन्वेंशन को अपनाना $\ell ^{(-1)}=0$, यह पुनरावर्ती अद्यतन नियम के माध्यम से किया जा सकता है

$\ell ^{(k)}=\ell ^{(k-1)}-{\frac {1}{2}}\left({\tilde {\mathbf {y} }}_{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1}{\tilde {\mathbf {y} }}_{k}+\log \left|\mathbf {S} _{k}\right|+d_{y}\log 2\pi \right),$

जहांपे $d_{y}$ माप वेक्टर का आयाम है। एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग जहां अवलोकनों की ऐसी (लॉग) संभावना (निस्यंदक पैरामीटर दिए गए) का उपयोग किया जाता है, बहु-लक्ष्य ट्रैकिंग है। उदाहरण के लिए, एक वस्तु ट्रैकिंग परिदृश्य पर विचार करें जहां अवलोकन की एक धारा इनपुट है, हालांकि, यह अज्ञात है कि दृश्य में कितनी वस्तुएं हैं (या, वस्तुओं की संख्या ज्ञात है लेकिन एक से अधिक है)। ऐसे परिदृश्य के लिए, यह अज्ञात हो सकता है कि किस वस्तु द्वारा कौन से अवलोकन/माप उत्पन्न किए गए थे। एक बहु परिकल्पना ट्रैकर (एमएचटी) आम तौर पर अलग-अलग ट्रैक एसोसिएशन परिकल्पनाएं बनाएगा, जहां प्रत्येक परिकल्पना को एक कलमैन निस्यंदक (रैखिक गॉसियन स्थितियो के लिए) के रूप में माना जा सकता है, जिसमें परिकल्पित वस्तु से जुड़े मापदंडों का एक विशिष्ट सेट होता है। इस प्रकार, विचाराधीन विभिन्न परिकल्पनाओं के लिए टिप्पणियों की संभावना की गणना करना महत्वपूर्ण है, जैसे कि सबसे अधिक संभावना पाई जा सकती है।

सूचना निस्यंदक

सूचना निस्यंदक, या प्रतिलोम सहप्रसरण निस्यंदक में, अनुमानित सहप्रसरण और अनुमानित स्थिति को क्रमशः फ़िशर सूचना आव्यूह और फ़िशर सूचना वेक्टर द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। इन्हें इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

${\begin{aligned}\mathbf {Y} _{k\mid k}&=\mathbf {P} _{k\mid k}^{-1}\\{\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k}&=\mathbf {P} _{k\mid k}^{-1}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}\end{aligned}}$

इसी तरह अनुमानित सहप्रसरण और अवस्था के समान सूचना प्रपत्र हैं, जिन्हें इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

${\begin{aligned}\mathbf {Y} _{k\mid k-1}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}^{-1}\\{\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k-1}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}^{-1}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\end{aligned}}$

जैसा कि माप सहप्रसरण और माप सदिश है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

${\begin{aligned}\mathbf {I} _{k}&=\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {R} _{k}^{-1}\mathbf {H} _{k}\\\mathbf {i} _{k}&=\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {R} _{k}^{-1}\mathbf {z} _{k}\end{aligned}}$

सूचना अद्यतन अब एक तुच्छ राशि बन गया है।

${\begin{aligned}\mathbf {Y} _{k\mid k}&=\mathbf {Y} _{k\mid k-1}+\mathbf {I} _{k}\\{\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k}&={\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {i} _{k}\end{aligned}}$

सूचना निस्यंदक का मुख्य लाभ यह है कि एन माप को हर समय कदम पर केवल उनकी सूचना आव्यूह और वैक्टर को जोड़कर निस्यंदक किया जा सकता है।

${\begin{aligned}\mathbf {Y} _{k\mid k}&=\mathbf {Y} _{k\mid k-1}+\sum _{j=1}^{N}\mathbf {I} _{k,j}\\{\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k}&={\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k-1}+\sum _{j=1}^{N}\mathbf {i} _{k,j}\end{aligned}}$

सूचना निस्यंदक की भविष्यवाणी करने के लिए सूचना आव्यूह और वेक्टर को उनके अवस्था अंतरिक्ष समकक्षों में वापस परिवर्तित किया जा सकता है, या वैकल्पिक रूप से सूचना स्थान भविष्यवाणी का उपयोग किया जा सकता है।:${\begin{aligned}\mathbf {M} _{k}&=\left[\mathbf {F} _{k}^{-1}\right]^{\textsf {T}}\mathbf {Y} _{k-1\mid k-1}\mathbf {F} _{k}^{-1}\\\mathbf {C} _{k}&=\mathbf {M} _{k}\left[\mathbf {M} _{k}+\mathbf {Q} _{k}^{-1}\right]^{-1}\\\mathbf {L} _{k}&=\mathbf {I} -\mathbf {C} _{k}\\\mathbf {Y} _{k\mid k-1}&=\mathbf {L} _{k}\mathbf {M} _{k}\mathbf {L} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {C} _{k}\mathbf {Q} _{k}^{-1}\mathbf {C} _{k}^{\textsf {T}}\\{\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k-1}&=\mathbf {L} _{k}\left[\mathbf {F} _{k}^{-1}\right]^{\textsf {T}}{\hat {\mathbf {y} }}_{k-1\mid k-1}\end{aligned}}$

फिक्स्ड-लैग स्मूथ

इष्टतम फिक्स्ड-लैग स्मूथ का इष्टतम अनुमान प्रदान करता है ${\hat {\mathbf {x} }}_{k-N\mid k}$ किसी निश्चित अंतराल के लिए $N$ से माप का उपयोग करना $\mathbf {z} _{1}$ प्रति $\mathbf {z} _{k}$. इसे एक संवर्धित अवस्था के माध्यम से पिछले सिद्धांत का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, और निस्यंदक का मुख्य समीकरण निम्नलिखित है:

${\begin{bmatrix}{\hat {\mathbf {x} }}_{t\mid t}\\{\hat {\mathbf {x} }}_{t-1\mid t}\\\vdots \\{\hat {\mathbf {x} }}_{t-N+1\mid t}\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\mathbf {I} \\0\\\vdots \\0\\\end{bmatrix}}{\hat {\mathbf {x} }}_{t\mid t-1}+{\begin{bmatrix}0&\ldots &0\\\mathbf {I} &0&\vdots \\\vdots &\ddots &\vdots \\0&\ldots &\mathbf {I} \\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\hat {\mathbf {x} }}_{t-1\mid t-1}\\{\hat {\mathbf {x} }}_{t-2\mid t-1}\\\vdots \\{\hat {\mathbf {x} }}_{t-N+1\mid t-1}\\\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}\mathbf {K} ^{(0)}\\\mathbf {K} ^{(1)}\\\vdots \\\mathbf {K} ^{(N-1)}\\\end{bmatrix}}\mathbf {y} _{t\mid t-1}$

जहांपे:

• ${\hat {\mathbf {x} }}_{t\mid t-1}$ एक मानक Kalman निस्यंदक के माध्यम से अनुमानित है;
• $\mathbf {y} _{t\mid t-1}=\mathbf {z} _{t}-\mathbf {H} {\hat {\mathbf {x} }}_{t\mid t-1}$ मानक कलमन निस्यंदक के अनुमान को ध्यान में रखते हुए उत्पादित नवाचार है;
• बहुत से ${\hat {\mathbf {x} }}_{t-i\mid t}$ साथ $i=1,\ldots ,N-1$ नए चर हैं; अर्थात्, वे मानक कलमन निस्यंदक में प्रकट नहीं होते हैं;
• लाभ की गणना निम्नलिखित योजना के माध्यम से की जाती है:

  $\mathbf {K} ^{(i+1)}=\mathbf {P} ^{(i)}\mathbf {H} ^{\textsf {T}}\left[\mathbf {H} \mathbf {P} \mathbf {H} ^{\textsf {T}}+\mathbf {R} \right]^{-1}$

तथा

$\mathbf {P} ^{(i)}=\mathbf {P} \left[\left(\mathbf {F} -\mathbf {K} \mathbf {H} \right)^{\textsf {T}}\right]^{i}$

जहांपे $\mathbf {P}$ तथा $\mathbf {K}$ भविष्यवाणी त्रुटि सहप्रसरण और मानक कलमन निस्यंदक के लाभ हैं (अर्थात, $\mathbf {P} _{t\mid t-1}$)

यदि अनुमान त्रुटि सहप्रसरण को परिभाषित किया जाता है ताकि

$\mathbf {P} _{i}:=E\left[\left(\mathbf {x} _{t-i}-{\hat {\mathbf {x} }}_{t-i\mid t}\right)^{*}\left(\mathbf {x} _{t-i}-{\hat {\mathbf {x} }}_{t-i\mid t}\right)\mid z_{1}\ldots z_{t}\right],$

तो हमारे पास अनुमान पर सुधार है $\mathbf {x} _{t-i}$ द्वारा दिया गया है:

$\mathbf {P} -\mathbf {P} _{i}=\sum _{j=0}^{i}\left[\mathbf {P} ^{(j)}\mathbf {H} ^{\textsf {T}}\left(\mathbf {H} \mathbf {P} \mathbf {H} ^{\textsf {T}}+\mathbf {R} \right)^{-1}\mathbf {H} \left(\mathbf {P} ^{(i)}\right)^{\textsf {T}}\right]$

फिक्स्ड-इंटरवल स्मूथर्स

इष्टतम निश्चित-अंतराल स्मूथ का इष्टतम अनुमान प्रदान करता है ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid n}$ ($k<n$) एक निश्चित अंतराल से माप का उपयोग करना $\mathbf {z} _{1}$ प्रति $\mathbf {z} _{n}$. इसे कलमन स्मूथिंग भी कहा जाता है। सामान्य उपयोग में कई चौरसाई एल्गोरिदम हैं।

राउच-तुंग-स्ट्रीबेल

रॉच-तुंग-स्ट्रीबेल (आरटीएस) स्मूथ निश्चित अंतराल चौरसाई के लिए एक कुशल दो-पास कलन विधिहै। फॉरवर्ड पास नियमित कलमन निस्यंदक कलन विधि के समान है। ये निस्यंदक किए गए ए-प्राथमिक और ए-पोस्टीरियर स्टेट अनुमान ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}$, ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}$ और सहप्रसरण $\mathbf {P} _{k\mid k-1}$, $\mathbf {P} _{k\mid k}$ बैकवर्ड पास (रेट्रोडिक्शन के लिए) में उपयोग के लिए सहेजे जाते हैं।

बैकवर्ड पास में, हम सुचारू अवस्था अनुमानों की गणना करते हैं ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid n}$ और सहप्रसरण $\mathbf {P} _{k\mid n}$. हम अंतिम समय चरण से शुरू करते हैं और निम्नलिखित पुनरावर्ती समीकरणों का उपयोग करके समय में पीछे की ओर बढ़ते हैं:

${\begin{aligned}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid n}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}+\mathbf {C} _{k}\left({\hat {\mathbf {x} }}_{k+1\mid n}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k+1\mid k}\right)\\\mathbf {P} _{k\mid n}&=\mathbf {P} _{k\mid k}+\mathbf {C} _{k}\left(\mathbf {P} _{k+1\mid n}-\mathbf {P} _{k+1\mid k}\right)\mathbf {C} _{k}^{\textsf {T}}\end{aligned}}$

जहांपे

$\mathbf {C} _{k}=\mathbf {P} _{k\mid k}\mathbf {F} _{k+1}^{\textsf {T}}\mathbf {P} _{k+1\mid k}^{-1}.$

$\mathbf {x} _{k\mid k}$ टाइमस्टेप का ए-पोस्टीरियरी स्टेट अनुमान है $k$ तथा $\mathbf {x} _{k+1\mid k}$ टाइमस्टेप का एक प्राथमिकता वाला अवस्था अनुमान है $k+1$. यही संकेतन सहप्रसरण पर अनुप्रयुक्त होता है।

संशोधित ब्रायसन-फ्रेज़ियर स्मूथ

आरटीएस कलन विधि का एक विकल्प संशोधित ब्रायसन-फ्रेज़ियर (एमबीएफ) निश्चित अंतराल है जो बीरमैन द्वारा विकसित किया गया है। यह एक बैकवर्ड पास का भी उपयोग करता है जो कलमन निस्यंदक फ़ॉरवर्ड पास से सहेजे गए डेटा को संसाधित करता है। पिछड़े पास के समीकरणों में पुनरावर्ती सम्मिलित है डेटा की गणना जो प्रत्येक अवलोकन समय पर सुचारू अवस्था और सहप्रसरण की गणना के लिए उपयोग की जाती है।

पुनरावर्ती समीकरण हैं

${\begin{aligned}{\tilde {\Lambda }}_{k}&=\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1}\mathbf {H} _{k}+{\hat {\mathbf {C} }}_{k}^{\textsf {T}}{\hat {\Lambda }}_{k}{\hat {\mathbf {C} }}_{k}\\{\hat {\Lambda }}_{k-1}&=\mathbf {F} _{k}^{\textsf {T}}{\tilde {\Lambda }}_{k}\mathbf {F} _{k}\\{\hat {\Lambda }}_{n}&=0\\{\tilde {\lambda }}_{k}&=-\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\mathbf {S} _{k}^{-1}\mathbf {y} _{k}+{\hat {\mathbf {C} }}_{k}^{\textsf {T}}{\hat {\lambda }}_{k}\\{\hat {\lambda }}_{k-1}&=\mathbf {F} _{k}^{\textsf {T}}{\tilde {\lambda }}_{k}\\{\hat {\lambda }}_{n}&=0\end{aligned}}$

जहांपे $\mathbf {S} _{k}$ अवशिष्ट सहप्रसरण है और ${\hat {\mathbf {C} }}_{k}=\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}$. चिकनी अवस्था और सहप्रसरण तब समीकरणों में प्रतिस्थापन द्वारा पाया जा सकता है

${\begin{aligned}\mathbf {P} _{k\mid n}&=\mathbf {P} _{k\mid k}-\mathbf {P} _{k\mid k}{\hat {\Lambda }}_{k}\mathbf {P} _{k\mid k}\\\mathbf {x} _{k\mid n}&=\mathbf {x} _{k\mid k}-\mathbf {P} _{k\mid k}{\hat {\lambda }}_{k}\end{aligned}}$

या

${\begin{aligned}\mathbf {P} _{k\mid n}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {P} _{k\mid k-1}{\tilde {\Lambda }}_{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\\\mathbf {x} _{k\mid n}&=\mathbf {x} _{k\mid k-1}-\mathbf {P} _{k\mid k-1}{\tilde {\lambda }}_{k}.\end{aligned}}$

MBF का एक महत्वपूर्ण लाभ यह है कि इसमें सहप्रसरण आव्यूह का व्युत्क्रम खोजने की आवश्यकता नहीं होती है।

न्यूनतम-विचरण चिकना

न्यूनतम-विचरण चिकना सर्वोत्तम संभव त्रुटि प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है, बशर्ते कि प्रतिरूप रैखिक हों, उनके पैरामीटर और नॉइज़ आंकड़े ठीक से ज्ञात हों। यह स्मूथ इष्टतम गैर-कारण विनीज़ निस्यंदक का एक समय-भिन्न अवस्था-स्थान सामान्यीकरण है।

आसान गणना दो पासों में की जाती है। आगे की गणना में एक कदम आगे का भविष्यवक्ता सम्मिलित होता है और इसके द्वारा दिया जाता है

${\begin{aligned}{\hat {\mathbf {x} }}_{k+1\mid k}&=(\mathbf {F} _{k}-\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}){\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}\mathbf {z} _{k}\\\alpha _{k}&=-\mathbf {S} _{k}^{-{\frac {1}{2}}}\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {S} _{k}^{-{\frac {1}{2}}}\mathbf {z} _{k}\end{aligned}}$

उपरोक्त प्रणाली को व्युत्क्रम वीनर-हॉप कारक के रूप में जाना जाता है। बैकवर्ड रिकर्सन उपरोक्त फॉरवर्ड प्रणाली का जोड़ है। पिछड़ा पास का परिणाम $\beta _{k}$ समय-उलट पर आगे के समीकरणों को संचालित करके गणना की जा सकती है $\alpha _{k}$ और परिणाम को उलटने का समय। आउटपुट अनुमान के स्थितियो में, सुचारू अनुमान द्वारा दिया जाता है

${\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid N}=\mathbf {z} _{k}-\mathbf {R} _{k}\beta _{k}$

इस न्यूनतम-विचरण चिकनी पैदावार का कारण भाग लेना

${\hat {\mathbf {y} }}_{k\mid k}=\mathbf {z} _{k}-\mathbf {R} _{k}\mathbf {S} _{k}^{-{\frac {1}{2}}}\alpha _{k}$

जो न्यूनतम-विचरण कलमन निस्यंदक के समान है। उपरोक्त समाधान आउटपुट अनुमान त्रुटि के विचरण को कम करते हैं। ध्यान दें कि रॉच-तुंग-स्ट्रीबेल चिकनी व्युत्पत्ति मानती है कि अंतर्निहित वितरण गॉसियन हैं, जबकि न्यूनतम-विचरण समाधान नहीं हैं। अवस्था के अनुमान और इनपुट अनुमान के लिए इष्टतम स्मूथर्स का निर्माण इसी तरह किया जा सकता है।

उपरोक्त स्मूथ का निरंतर-समय संस्करण में वर्णित है। उम्मीद-अधिकतमकरण एल्गोरिदम को न्यूनतम-विचरण निस्यंदक और स्मूथर्स के भीतर अज्ञात अवस्था-अंतरिक्ष मापदंडों के अनुमानित अधिकतम संभावना अनुमानों की गणना करने के लिए नियोजित किया जा सकता है। प्रायः अनिश्चितता समस्या धारणाओं के भीतर रहती है। रिकाटी समीकरण में एक सकारात्मक निश्चित शब्द जोड़कर अनिश्चितताओं को समायोजित करने वाला एक चिकना डिजाइन किया जा सकता है। ऐसे मामलों में जहां प्रतिरूप नॉनलाइनियर हैं, स्टेपवाइज रेखीयकरण न्यूनतम-विचरण निस्यंदक और स्मूथ रिकर्सन (विस्तारित कलमन निस्यंदन) के भीतर हो सकता है।

आवृत्ति-भारित कलमन निस्यंदक

1930 के दशक में फ्लेचर और मुनसन द्वारा विभिन्न आवृत्तियों पर नॉइज़यों की धारणा पर अग्रणी शोध किया गया था। उनके कार्य ने औद्योगिक नॉइज़ और श्रवण हानि की जांच के भीतर मापे गए नॉइज़ स्तरों को भारित करने का एक मानक प्रणाली बनाया। फ़्रीक्वेंसी वेटिंग का उपयोग तब से निस्यंदक और कंट्रोलर डिज़ाइन के भीतर किया गया है ताकि रुचि के बैंड के भीतर प्रदर्शन का प्रबंधन किया जा सके।

आमतौर पर, एक फ़्रीक्वेंसी शेपिंग प्रकार्य का उपयोग एक निर्दिष्ट फ़्रीक्वेंसी बैंड में त्रुटि वर्णक्रमीय घनत्व की औसत शक्ति को भारित करने के लिए किया जाता है। होने देना $\mathbf {y} -{\hat {\mathbf {y} }}$ एक पारंपरिक कलमन निस्यंदक द्वारा प्रदर्शित आउटपुट अनुमान त्रुटि को निरूपित करें। इसके अतिरिक्त, चलो $\mathbf {W}$ एक कारण आवृत्ति भार हस्तांतरण समारोह को निरूपित करें। इष्टतम समाधान जो के विचरण को कम करता है $\mathbf {W} \left(\mathbf {y} -{\hat {\mathbf {y} }}\right)$ केवल निर्माण करने से उत्पन्न होता है $\mathbf {W} ^{-1}{\hat {\mathbf {y} }}$.

का डिजाइन $\mathbf {W}$ खुला प्रश्न बना हुआ है। आगे बढ़ने का एक प्रणाली एक ऐसी प्रणाली की पहचान करना है जो अनुमान त्रुटि और सेटिंग उत्पन्न करती है $\mathbf {W}$ उस प्रणाली के व्युत्क्रम के बराबर। बढ़े हुए निस्यंदक क्रम की कीमत पर माध्य-वर्ग त्रुटि सुधार प्राप्त करने के लिए इस प्रक्रिया को पुनरावृत्त किया जा सकता है। स्मूथर्स पर भी यही प्रविधि अनुप्रयुक्त की जा सकती है।

अरेखीय निस्यंदक

मूल कलमन निस्यंदक एक रेखीय धारणा तक सीमित है। हालाँकि, अधिक जटिल प्रणालियाँ नॉनलाइनियर निस्यंदक हो सकती हैं। गैर-रैखिकता को या तो प्रक्रिया प्रतिरूप या अवलोकन प्रतिरूप के साथ या दोनों के साथ जोड़ा जा सकता है।

गैर-रैखिक प्रणालियों के लिए कलमन निस्यंदक के सबसे सामान्य प्रकार विस्तारित कलमन निस्यंदक और अनसेंटेड कलमन निस्यंदक हैं। किस निस्यंदक का उपयोग करने की उपयुक्तता प्रक्रिया और अवलोकन प्रतिरूप के गैर-रैखिकता सूचकांकों पर निर्भर करती है।

विस्तारित कलमन निस्यंदक

Main article: Extended Kalman filter

विस्तारित कलमन निस्यंदक (ईकेएफ) में, अवस्था संक्रमण और अवलोकन प्रतिरूप को अवस्था के रैखिक कार्य नहीं होने चाहिए, बल्कि इसके बजाय गैर-रेखीय कार्य हो सकते हैं। ये फंक्शन विभेदक कार्य टाइप के होते हैं।

${\begin{aligned}\mathbf {x} _{k}&=f(\mathbf {x} _{k-1},\mathbf {u} _{k})+\mathbf {w} _{k}\\\mathbf {z} _{k}&=h(\mathbf {x} _{k})+\mathbf {v} _{k}\end{aligned}}$

प्रकार्य f का उपयोग पिछले अनुमान से अनुमानित स्थिति की गणना करने के लिए किया जा सकता है और इसी तरह प्रकार्य h का उपयोग अनुमानित स्थिति से अनुमानित माप की गणना करने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, f और h सीधे सहप्रसरण पर अनुप्रयुक्त नहीं किए जा सकते। इसके बजाय आंशिक डेरिवेटिव ( जैकोबियन आव्यूह ) के एक आव्यूह की गणना की जाती है।

प्रत्येक समय पर जैकोबियन का मूल्यांकन वर्तमान पूर्वानुमानित अवस्थाओं के साथ किया जाता है। इन आव्यूह का उपयोग कलमन निस्यंदक समीकरणों में किया जा सकता है। यह प्रक्रिया अनिवार्य रूप से वर्तमान अनुमान के आसपास नॉनलाइनियर प्रकार्य को रैखिक करती है।

अनसेंटेड कलमन निस्यंदक

जब अवस्था संक्रमण और अवलोकन प्रतिरूप-अर्थात, भविष्यवाणी और अद्यतन कार्य करता है $f$ तथा $h$-अत्यधिक अरेखीय, विस्तारित कलमन निस्यंदक विशेष रूप से खराब प्रदर्शन दे सकता है। इसका कारण यह है कि सहप्रसरण अंतर्निहित अरेखीय प्रतिरूप के रेखीयकरण के माध्यम से प्रचारित किया जाता है। अनसेंटेड कलमन निस्यंदक (यूकेएफ)माध्य के आसपास प्रतिरूप बिंदुओं (जिन्हें सिग्मा पॉइंट कहा जाता है) का एक न्यूनतम सेट चुनने के लिए एक नियतात्मक प्रतिरूपकरण प्रविधि का उपयोग करता है जिसे सुगंधित परिवर्तन |अनसेंटेड ट्रांसफ़ॉर्मेशन (UT) के रूप में जाना जाता है। सिग्मा बिंदुओं को फिर गैर-रेखीय कार्यों के माध्यम से प्रचारित किया जाता है, जिससे एक नया माध्य और सहप्रसरण अनुमान बनता है। परिणामी निस्यंदक इस बात पर निर्भर करता है कि UT के रूपांतरित आँकड़ों की गणना कैसे की जाती है और सिग्मा बिंदुओं के किस सेट का उपयोग किया जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि नए यूकेएफ का निर्माण एक सुसंगत विधि से करना हमेशा संभव है। कुछ प्रणालियों के लिए, परिणामी यूकेएफ सही माध्य और सहप्रसरण का अधिक सटीक अनुमान लगाता है। इसे मोंटे कार्लो प्रतिरूपकरण या पश्च आँकड़ों के टेलर श्रृंखला विस्तार के साथ सत्यापित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यह प्रविधि स्पष्ट रूप से जैकोबियन की गणना करने की आवश्यकता को हटा देती है, जो जटिल कार्यों के लिए अपने आप में एक कठिन कार्य हो सकता है (अर्थात्, जटिल डेरिवेटिव की आवश्यकता होती है यदि विश्लेषणात्मक रूप से किया जाता है या संख्यात्मक रूप से किया जाता है तो कम्प्यूटेशनल रूप से महंगा होता है), यदि असंभव नहीं है (यदि वे कार्य हैं भिन्न नहीं)।

सिग्मा अंक

एक यादृच्छिक वेक्टर के लिए $\mathbf {x} =(x_{1},\dots ,x_{L})$, सिग्मा बिंदु वैक्टर का कोई भी सेट है

$\{\mathbf {s} _{0},\dots ,\mathbf {s} _{N}\}={\bigl \{}{\begin{pmatrix}s_{0,1}&s_{0,2}&\ldots &s_{0,L}\end{pmatrix}},\dots ,{\begin{pmatrix}s_{N,1}&s_{N,2}&\ldots &s_{N,L}\end{pmatrix}}{\bigr \}}$

के साथ जिम्मेदार

• पहले क्रम के वजन $W_{0}^{a},\dots ,W_{N}^{a}$ वह पूरा

1. $\sum _{j=0}^{N}W_{j}^{a}=1$ # सभी के लिए $i=1,\dots ,L$: $E[x_{i}]=\sum _{j=0}^{N}W_{j}^{a}s_{j,i}$

• दूसरे क्रम के वजन $W_{0}^{c},\dots ,W_{N}^{c}$ वह पूरा

1. $\sum _{j=0}^{N}W_{j}^{c}=1$ #सभी जोड़ियों के लिए $(i,l)\in \{1,\dots ,L\}^{2}:E[x_{i}x_{l}]=\sum _{j=0}^{N}W_{j}^{c}s_{j,i}s_{j,l}$.

के लिए सिग्मा अंक और भार का एक सरल विकल्प $\mathbf {x} _{k-1\mid k-1}$ यूकेएफ कलन विधि में है

${\begin{aligned}\mathbf {s} _{0}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}\\-1&<W_{0}^{a}=W_{0}^{c}<1\\\mathbf {s} _{j}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}+{\sqrt {\frac {L}{1-W_{0}}}}\mathbf {A} _{j},\quad j=1,\dots ,L\\\mathbf {s} _{L+j}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}-{\sqrt {\frac {L}{1-W_{0}}}}\mathbf {A} _{j},\quad j=1,\dots ,L\\W_{j}^{a}&=W_{j}^{c}={\frac {1-W_{0}}{2L}},\quad j=1,\dots ,2L\end{aligned}}$

जहांपे ${\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}$ का औसत अनुमान है $\mathbf {x} _{k-1\mid k-1}$. वेक्टर $\mathbf {A} _{j}$ का jth कॉलम है $\mathbf {A}$ जहांपे $\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}=\mathbf {AA} ^{\textsf {T}}$. आमतौर पर, $\mathbf {A}$ के चोल्स्की अपघटन के माध्यम से प्राप्त किया जाता है $\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}$. कुछ सावधानी से निस्यंदक समीकरण समीकरणों को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है कि $\mathbf {A}$ की मध्यवर्ती गणना के बिना सीधे मूल्यांकन किया जाता है $\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}$. इसे स्क्वायर-रूट अनसेंटेड कलमन निस्यंदक के रूप में जाना जाता है। माध्य मान का भार, $W_{0}$, मनमाने ढंग से चुना जा सकता है।

एक अन्य लोकप्रिय मानकीकरण (जो उपरोक्त को सामान्य करता है) है

${\begin{aligned}\mathbf {s} _{0}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}\\W_{0}^{a}&={\frac {\alpha ^{2}\kappa -L}{\alpha ^{2}\kappa }}\\W_{0}^{c}&=W_{0}^{a}+1-\alpha ^{2}+\beta \\\mathbf {s} _{j}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}+\alpha {\sqrt {\kappa }}\mathbf {A} _{j},\quad j=1,\dots ,L\\\mathbf {s} _{L+j}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}-\alpha {\sqrt {\kappa }}\mathbf {A} _{j},\quad j=1,\dots ,L\\W_{j}^{a}&=W_{j}^{c}={\frac {1}{2\alpha ^{2}\kappa }},\quad j=1,\dots ,2L.\end{aligned}}$

$\alpha$ तथा $\kappa$ सिग्मा बिंदुओं के प्रसार को नियंत्रित करें। $\beta$ के वितरण से संबंधित है $x$.

उपयुक्त मूल्य हाथ में समस्या पर निर्भर करते हैं, लेकिन एक विशिष्ट सिफारिश है $\alpha =10^{-3}$, $\kappa =1$, तथा $\beta =2$. हालांकि, का एक बड़ा मूल्य $\alpha$ (जैसे, $\alpha =1$) वितरण के प्रसार और संभावित गैर-रैखिकताओं को उन्नत ढंग से पकड़ने के लिए फायदेमंद हो सकता है। यदि . का सही वितरण $x$ गॉसियन है, $\beta =2$ इष्टतम है।

भविष्यवाणी

ईकेएफ के साथ, यूकेएफ भविष्यवाणी का उपयोग यूकेएफ अपडेट से स्वतंत्र रूप से किया जा सकता है, एक रैखिक (या वास्तव में ईकेएफ) अपडेट के संयोजन में, या इसके विपरीत।

माध्य और सहप्रसरण के अनुमानों को देखते हुए, ${\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}$ तथा $\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}$, एक प्राप्त करता है $N=2L+1$ सिग्मा अंक जैसा कि ऊपर अनुभाग में वर्णित है। सिग्मा बिंदुओं को संक्रमण फलन f के माध्यम से प्रचारित किया जाता है।

$\mathbf {x} _{j}=f\left(\mathbf {s} _{j}\right)\quad j=0,\dots ,2L$.

प्रचारित सिग्मा बिंदुओं को अनुमानित माध्य और सहप्रसरण उत्पन्न करने के लिए तौला जाता है।

${\begin{aligned}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}&=\sum _{j=0}^{2L}W_{j}^{a}\mathbf {x} _{j}\\\mathbf {P} _{k\mid k-1}&=\sum _{j=0}^{2L}W_{j}^{c}\left(\mathbf {x} _{j}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\left(\mathbf {x} _{j}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} _{k}\end{aligned}}$

जहांपे $W_{j}^{a}$ मूल सिग्मा बिंदुओं के प्रथम-क्रम भार हैं, और $W_{j}^{c}$ दूसरे क्रम के भार हैं। साँचा $\mathbf {Q} _{k}$ संक्रमण नॉइज़ का सहप्रसरण है, $\mathbf {w} _{k}$.

अपडेट

भविष्यवाणी अनुमानों को देखते हुए ${\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}$ तथा $\mathbf {P} _{k\mid k-1}$, का एक नया सेट $N=2L+1$ सिग्मा अंक $\mathbf {s} _{0},\dots ,\mathbf {s} _{2L}$ इसी प्रथम-क्रम भार के साथ $W_{0}^{a},\dots W_{2L}^{a}$ और दूसरे क्रम के वजन $W_{0}^{c},\dots ,W_{2L}^{c}$ परिकलित। ये सिग्मा बिंदु मापन प्रकार्य के माध्यम से रूपांतरित होते हैं $h$.

$\mathbf {z} _{j}=h(\mathbf {s} _{j}),\,\,j=0,1,\dots ,2L$.

फिर रूपांतरित बिंदुओं के अनुभवजन्य माध्य और सहप्रसरण की गणना की जाती है।

${\begin{aligned}{\hat {\mathbf {z} }}&=\sum _{j=0}^{2L}W_{j}^{a}\mathbf {z} _{j}\\[6pt]{\hat {\mathbf {S} }}_{k}&=\sum _{j=0}^{2L}W_{j}^{c}(\mathbf {z} _{j}-{\hat {\mathbf {z} }})(\mathbf {z} _{j}-{\hat {\mathbf {z} }})^{\textsf {T}}+\mathbf {R} _{k}\end{aligned}}$

जहांपे $\mathbf {R} _{k}$ अवलोकन नॉइज़ का सहप्रसरण आव्यूह है, $\mathbf {v} _{k}$. इसके अतिरिक्त, क्रॉस कॉन्वर्सिस आव्यूह की भी आवश्यकता है

${\begin{aligned}\mathbf {C_{xz}} &=\sum _{j=0}^{2L}W_{j}^{c}(\mathbf {x} _{j}-{\hat {\mathbf {x} }}_{k|k-1})(\mathbf {z} _{j}-{\hat {\mathbf {z} }})^{\textsf {T}}.\end{aligned}}$

कलमन लाभ है

${\begin{aligned}\mathbf {K} _{k}=\mathbf {C_{xz}} {\hat {\mathbf {S} }}_{k}^{-1}.\end{aligned}}$

अद्यतन माध्य और सहप्रसरण अनुमान हैं

${\begin{aligned}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k|k-1}+\mathbf {K} _{k}(\mathbf {z} _{k}-{\hat {\mathbf {z} }})\\\mathbf {P} _{k\mid k}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}-\mathbf {K} _{k}{\hat {\mathbf {S} }}_{k}\mathbf {K} _{k}^{\textsf {T}}.\end{aligned}}$

भेदभावपूर्ण कलमन निस्यंदक

जब अवलोकन प्रतिरूप $p(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k})$ अत्यधिक गैर-रेखीय और/या गैर-गॉसियन है, यह बेयस के नियम और अनुमान को अनुप्रयुक्त करने के लिए फायदेमंद साबित हो सकता है

$p(\mathbf {z} _{k}\mid \mathbf {x} _{k})\approx {\frac {p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {z} _{k})}{p(\mathbf {x} _{k})}}$

जहांपे $p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {z} _{k})\approx {\mathcal {N}}(g(\mathbf {z} _{k}),Q(\mathbf {z} _{k}))$ अरेखीय कार्यों के लिए $g,Q$. यह दिए गए अवलोकनों के लिए गुप्त अवस्थाों के लिए एक भेदभावपूर्ण प्रतिरूप के साथ मानक कलमन निस्यंदक के जनरेटिव विनिर्देश को प्रतिस्थापित करता है।

एक स्थिर प्रक्रिया के तहत अवस्था प्रतिरूप

${\begin{aligned}p(\mathbf {x} _{1})&={\mathcal {N}}(0,\mathbf {T} ),\\p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {x} _{k-1})&={\mathcal {N}}(\mathbf {F} \mathbf {x} _{k-1},\mathbf {C} ),\end{aligned}}$

जहांपे $\mathbf {T} =\mathbf {F} \mathbf {T} \mathbf {F} ^{\intercal }+\mathbf {C}$, यदि

$p(\mathbf {x} _{k}\mid \mathbf {z} _{1:k})\approx {\mathcal {N}}({\hat {\mathbf {x} }}_{k|k-1},\mathbf {P} _{k|k-1}),$

फिर एक नया अवलोकन दिया $\mathbf {z} _{k}$, यह इस प्रकार है कि

$p(\mathbf {x} _{k+1}\mid \mathbf {z} _{1:k+1})\approx {\mathcal {N}}({\hat {\mathbf {x} }}_{k+1|k},\mathbf {P} _{k+1|k})$

जहांपे

${\begin{aligned}\mathbf {M} _{k+1}&=\mathbf {F} \mathbf {P} _{k|k-1}\mathbf {F} ^{\intercal }+\mathbf {C} ,\\\mathbf {P} _{k+1|k}&=(\mathbf {M} _{k+1}^{-1}+Q(\mathbf {z} _{k})^{-1}-\mathbf {T} ^{-1})^{-1},\\{\hat {\mathbf {x} }}_{k+1|k}&=\mathbf {P} _{k+1|k}(\mathbf {M} _{k+1}^{-1}\mathbf {F} {\hat {\mathbf {x} }}_{k|k-1}+\mathbf {P} _{k+1|k}^{-1}g(\mathbf {z} _{k})).\end{aligned}}$

ध्यान दें कि इस सन्निकटन की आवश्यकता है $Q(\mathbf {z} _{k})^{-1}-\mathbf {T} ^{-1}$ सकारात्मक-निश्चित होना; इस स्थितियो में कि ऐसा नहीं है,

$\mathbf {P} _{k+1|k}=(\mathbf {M} _{k+1}^{-1}+Q(\mathbf {z} _{k})^{-1})^{-1}$

के स्थान पर प्रयोग किया जाता है। ऐसा उपागम विशेष रूप से तब उपयोगी सिद्ध होता है जब प्रेक्षणों की विमाएँ गुप्त अवस्थाओं की तुलना में बहुत अधिक होती हैं और उन बिल्ड निस्यंदक का उपयोग किया जा सकता है जो अवलोकन प्रतिरूप में गैर-स्थिरता के लिए विशेष रूप से मजबूत हैं।

अनुकूली कलमन निस्यंदक

अनुकूली कलमन निस्यंदक प्रक्रिया की गतिशीलता के अनुकूल होने की अनुमति देते हैं जो प्रक्रिया प्रतिरूप में प्रतिरूपिंग नहीं करते हैं $\mathbf {F} (t)$, जो उदाहरण के लिए एक पैंतरेबाज़ी लक्ष्य के संदर्भ में होता है जब ट्रैकिंग के लिए एक स्थिर वेग (कम क्रम) कलमन निस्यंदक नियोजित होता है।

Kalman-Bucy निस्यंदक

Kalman-Bucy निस्यंदन (रिचर्ड स्नोडेन बुकी के नाम पर) Kalman निस्यंदन का एक निरंतर समय संस्करण है। यह अवस्था अंतरिक्ष प्रतिरूप पर आधारित है

${\begin{aligned}{\frac {d}{dt}}\mathbf {x} (t)&=\mathbf {F} (t)\mathbf {x} (t)+\mathbf {B} (t)\mathbf {u} (t)+\mathbf {w} (t)\\\mathbf {z} (t)&=\mathbf {H} (t)\mathbf {x} (t)+\mathbf {v} (t)\end{aligned}}$

जहांपे $\mathbf {Q} (t)$ तथा $\mathbf {R} (t)$ दो सफेद नॉइज़ शर्तों की तीव्रता (या, अधिक सटीक: पावर स्पेक्ट्रल घनत्व - पीएसडी - मैट्रिसेस) का प्रतिनिधित्व करते हैं $\mathbf {w} (t)$ तथा $\mathbf {v} (t)$, क्रमश।

निस्यंदक में दो अंतर समीकरण होते हैं, एक अवस्था अनुमान के लिए और एक सहप्रसरण के लिए:

${\begin{aligned}{\frac {d}{dt}}{\hat {\mathbf {x} }}(t)&=\mathbf {F} (t){\hat {\mathbf {x} }}(t)+\mathbf {B} (t)\mathbf {u} (t)+\mathbf {K} (t)\left(\mathbf {z} (t)-\mathbf {H} (t){\hat {\mathbf {x} }}(t)\right)\\{\frac {d}{dt}}\mathbf {P} (t)&=\mathbf {F} (t)\mathbf {P} (t)+\mathbf {P} (t)\mathbf {F} ^{\textsf {T}}(t)+\mathbf {Q} (t)-\mathbf {K} (t)\mathbf {R} (t)\mathbf {K} ^{\textsf {T}}(t)\end{aligned}}$

जहां कलमन लाभ दिया जाता है

$\mathbf {K} (t)=\mathbf {P} (t)\mathbf {H} ^{\textsf {T}}(t)\mathbf {R} ^{-1}(t)$

ध्यान दें कि इस अभिव्यक्ति में $\mathbf {K} (t)$ अवलोकन नॉइज़ का सहप्रसरण $\mathbf {R} (t)$ एक ही समय में भविष्यवाणी त्रुटि (या नवाचार) के सहप्रसरण का प्रतिनिधित्व करता है ${\tilde {\mathbf {y} }}(t)=\mathbf {z} (t)-\mathbf {H} (t){\hat {\mathbf {x} }}(t)$; ये सहप्रसरण केवल निरंतर समय की स्थिति में समान होते हैं। असतत-समय कलमन निस्यंदन की भविष्यवाणी और अद्यतन चरणों के मध्य अंतर निरंतर समय में मौजूद नहीं है।

सहप्रसरण के लिए दूसरा अवकल समीकरण, रिकाटी समीकरण का एक उदाहरण है। Kalman-Bucy निस्यंदक के गैर-रेखीय सामान्यीकरण में निरंतर समय विस्तारित Kalman निस्यंदक सम्मिलित है।

हाइब्रिड कलमन निस्यंदक

अधिकांश भौतिक प्रणालियों को निरंतर-समय के प्रतिरूप के रूप में दर्शाया जाता है जबकि डिजिटल प्रोसेसर के माध्यम से अवस्था के आकलन के लिए असतत-समय माप प्रायः किए जाते हैं। इसलिए, प्रणाली प्रतिरूप और माप प्रतिरूप द्वारा दिया जाता है

${\begin{aligned}{\dot {\mathbf {x} }}(t)&=\mathbf {F} (t)\mathbf {x} (t)+\mathbf {B} (t)\mathbf {u} (t)+\mathbf {w} (t),&\mathbf {w} (t)&\sim N\left(\mathbf {0} ,\mathbf {Q} (t)\right)\\\mathbf {z} _{k}&=\mathbf {H} _{k}\mathbf {x} _{k}+\mathbf {v} _{k},&\mathbf {v} _{k}&\sim N(\mathbf {0} ,\mathbf {R} _{k})\end{aligned}}$

जहांपे

$\mathbf {x} _{k}=\mathbf {x} (t_{k})$.

प्रारंभ

${\hat {\mathbf {x} }}_{0\mid 0}=E\left[\mathbf {x} (t_{0})\right],\mathbf {P} _{0\mid 0}=\operatorname {Var} \left[\mathbf {x} \left(t_{0}\right)\right]$

भविष्यवाणी

${\begin{aligned}{\dot {\hat {\mathbf {x} }}}(t)&=\mathbf {F} (t){\hat {\mathbf {x} }}(t)+\mathbf {B} (t)\mathbf {u} (t){\text{, with }}{\hat {\mathbf {x} }}\left(t_{k-1}\right)={\hat {\mathbf {x} }}_{k-1\mid k-1}\\\Rightarrow {\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}&={\hat {\mathbf {x} }}\left(t_{k}\right)\\{\dot {\mathbf {P} }}(t)&=\mathbf {F} (t)\mathbf {P} (t)+\mathbf {P} (t)\mathbf {F} (t)^{\textsf {T}}+\mathbf {Q} (t){\text{, with }}\mathbf {P} \left(t_{k-1}\right)=\mathbf {P} _{k-1\mid k-1}\\\Rightarrow \mathbf {P} _{k\mid k-1}&=\mathbf {P} \left(t_{k}\right)\end{aligned}}$

भविष्यवाणी समीकरण माप से अद्यतन किए बिना निरंतर-समय कलमन निस्यंदक से प्राप्त होते हैं, अर्थात्, $\mathbf {K} (t)=0$. पिछले चरण में अनुमान के बराबर प्रारंभिक मूल्य के साथ अंतर समीकरणों के एक सेट को हल करके अनुमानित अवस्था और सहप्रसरण की गणना की जाती है।

रैखिक समय अपरिवर्तनीय प्रणालियों के स्थितियो में, निरंतर समय की गतिशीलता को आव्यूह घातांक का उपयोग करके एक असतत समय प्रणाली में पूर्णतया विसर्जित किया जा सकता है।

अपडेट

${\begin{aligned}\mathbf {K} _{k}&=\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}\left(\mathbf {H} _{k}\mathbf {P} _{k\mid k-1}\mathbf {H} _{k}^{\textsf {T}}+\mathbf {R} _{k}\right)^{-1}\\{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k}&={\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}+\mathbf {K} _{k}\left(\mathbf {z} _{k}-\mathbf {H} _{k}{\hat {\mathbf {x} }}_{k\mid k-1}\right)\\\mathbf {P} _{k\mid k}&=\left(\mathbf {I} -\mathbf {K} _{k}\mathbf {H} _{k}\right)\mathbf {P} _{k\mid k-1}\end{aligned}}$

अद्यतन समीकरण असतत-समय कलमन निस्यंदक के समान हैं।

विरल संकेतों की वसूली के लिए प्रकार

पारंपरिक कलमन निस्यंदक को नॉइज़ प्रेक्षणों से विरल संकेत, संभवतः गतिशील, संकेतों की पुनर्प्राप्ति के लिए भी नियोजित किया गया है। हाल ही में कार्य करता है संकुचित संवेदन/प्रतिरूपकरण के सिद्धांत से धारणाओं का उपयोग करें, जैसे कि प्रतिबंधित आइसोमेट्री गुण और संबंधित संभाव्य पुनर्प्राप्ति तर्क, आंतरिक रूप से निम्न-आयामी प्रणालियों में विरल स्थिति का क्रमिक रूप से अनुमान लगाने के लिए।

गॉसियन प्रक्रियाओं से संबंध

चूंकि रैखिक गॉसियन अवस्था-अंतरिक्ष प्रतिरूप गॉसियन प्रक्रियाओं की ओर ले जाते हैं, इसलिए कलमन निस्यंदक को गॉसियन प्रक्रियाओं के लिए अनुक्रमिक सॉल्वर के रूप में देखा जा सकता है।

अनुप्रयोग

• रवैया और शीर्षक संदर्भ प्रणाली
• ऑटो-पायलट
• इलेक्ट्रिक बैटरी प्रभार का राज्य (SoC) अनुमान
• ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस*अराजक संकेत
• कण डिटेक्टर ों में आवेशित कण ों की ट्रैकिंग और शीर्ष फिटिंग
• कंप्यूटर विज़न में वस्तुओं की ट्रैकिंग
• शिपिंग में गतिशील स्थिति
• अर्थशास्त्र , विशेष रूप से मैक्रोइकॉनॉमिक्स , समय श्रृंखला विश्लेषण , और अर्थमिति
• जड़त्वीय मार्गदर्शन प्रणाली
• नाभिकीय औषधि - सिंगल फोटॉन एमिशन कंप्यूटेड टोमोग्राफी इमेज रिस्टोरेशन
• कक्षा निर्धारण
• पावर सिस्टम राज्य का अनुमान
• रडार ट्रैकर
• उपग्रह नेविगेशन प्रणाली
• भूकंप विज्ञान
• एसी मोटर चर-आवृत्ति ड्राइव का सेंसर रहित नियंत्रण
• एक साथ स्थानीयकरण और मानचित्रण
• भाषण में वृद्धि
• दृश्य ओडोमेट्री
• मौसम की भविष्यवाणी
• दिशानिर्देशन प्रणाली
• 3 डी मॉडलिंग
• संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी
• मानव सेंसरिमोटर प्रसंस्करण

यह भी देखें

• अल्फा बीटा फिल्टर
• व्युत्क्रम-विचरण भार
• सहप्रसरण चौराहा
• डेटा एसिमिलेशन
• कलमान फ़िल्टर को इकट्ठा करें
• विस्तारित कलमन फ़िल्टर
• फास्ट कलमन फ़िल्टर
• फ़िल्टरिंग समस्या (स्टोकेस्टिक प्रक्रियाएं)
• सामान्यीकृत फ़िल्टरिंग
• अपरिवर्तनीय विस्तारित कलमन फ़िल्टर
• कर्नेल अनुकूली फ़िल्टर
• मासरेलीज़ की प्रमेय
• क्षितिज का अनुमान लगाना
• कण फिल्टर अनुमानक
• पीआईडी ​​नियंत्रक
• प्रेडिक्टर-करेक्टर मेथड
• रिकर्सिव कम से कम वर्ग फ़िल्टर
• श्मिट-कलमैन फ़िल्टर
• पृथक्करण सिद्धांत
• स्लाइडिंग मोड नियंत्रण
• राज्य-संक्रमण मैट्रिक्स
• स्टोकेस्टिक अंतर समीकरण
• कलमन फ़िल्टर स्विच करना
• एक साथ अनुमान और मॉडलिंग

अग्रिम पठन

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बाहरी संबंध

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• An Introduction to the Kalman Filter, SIGGRAPH 2001 Course, Greg Welch and Gary Bishop
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• Matlab Toolbox of Kalman Filtering applied to Simultaneous Localization and Mapping: Vehicle moving in 1D, 2D and 3D
• The Kalman Filter in Reproducing Kernel Hilbert Spaces A comprehensive introduction.
• Matlab code to estimate Cox–Ingersoll–Ross interest rate model with Kalman Filter: Corresponds to the paper "estimating and testing exponential-affine term structure models by kalman filter" published by Review of Quantitative Finance and Accounting in 1999.
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• Examples and how-to on using Kalman Filters with MATLAB A Tutorial on Filtering and Estimation
• Explaining Filtering (Estimation) in One Hour, Ten Minutes, One Minute, and One Sentence by Yu-Chi Ho
• Simo Särkkä (2013). "Bayesian Filtering and Smoothing". Cambridge University Press. Full text available on author's webpage https://users.aalto.fi/~ssarkka/.