电气工程与系统科学 > 系统与控制
[提交于 2025年7月16日
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标题: 自然梯度高斯近似滤波器的设计与比较测试
标题: Algorithm Design and Comparative Test of Natural Gradient Gaussian Approximation Filter
摘要: 流行的贝叶斯滤波器通常依赖于线性化技术,例如 泰勒级数展开和随机线性回归,来利用标准卡尔曼滤波器的结构。 这些技术可能会在非线性和非高斯系统中引入较大的估计误差。 本文概述了滤波算法设计中的最新突破,即\textit{N}atural Gr\textit{a}dient Gaussia\textit{n} Appr\textit{o}ximation (NANO) 滤波器,并将其性能与一大类非线性滤波器进行比较。 NANO 滤波器将贝叶斯滤波解释为两个不同优化问题的解,从而可以定义最优高斯近似并推导出其相应的极值条件。 该算法设计仍然遵循贝叶斯滤波器的两步结构。 在预测步骤中,NANO 滤波器计算先验分布的前两个矩,此过程等效于矩匹配滤波器。 在更新步骤中,采用自然梯度下降法直接最小化更新步骤的目标函数,从而避免模型线性化引起的误差。 在高斯噪声、拉普拉斯噪声和β噪声环境下,对四种经典系统(包括阻尼线性振荡器、序列预测、改进的增长模型和机器人定位)进行了对比测试,以评估NANO滤波器处理非线性的能力。 此外,我们还使用卫星姿态估计示例验证了NANO滤波器对数据异常值的鲁棒性。 结果表明,NANO滤波器的性能优于常用的卡尔曼滤波器系列,例如扩展卡尔曼滤波器 (EKF)、无迹卡尔曼滤波器 (UKF)、迭代扩展卡尔曼滤波器 (IEKF) 和后验线性化滤波器 (PLF),同时计算量相近。
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