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Part4.Priori_or_Posteriori_Error_Covariance_Matrix

\[\begin{align*} &状态空间方程 \begin{cases} X_k=AX_{k-1}+Bu_{k-1}+w_{k-1},w \sim p(0,Q) \\ Z_k=HX_k+v_k,v \sim p(0,R) \\ \end{cases}\\ &先验估计值:\hat{X}_k^- = A \hat{X}_{k-1} + B u_{k-1}& \\ &后验估计值:\hat{X}_k = \hat{X}_k^- + K_k(Z_k-H\hat{X}_k^-) \\ &Kalman\ Gain:K_k = \frac{P_k^- H^T}{H P_k^- H^T + R} \end{align*} \]

\(求 P_k^- :\)

\[\begin{align*} e_k^- &= X_k - \hat{X}_k^-& \\ &= (AX_{k-1}+Bu_{k-1}+w_{k-1}) - (A \hat{X}_{k-1} + B u_{k-1}) \\ &= A (X_{k-1} - \hat{X}_{k-1}) + w_{k-1} \\ &= A e_{k-1}^- + w_{k-1} \\ P_k^- &= E[e_k^- {e_k^-}^T] \\ &= E\left[ (A e_{k-1}^- + w_{k-1})(A e_{k-1}^- +w_{k-1})^T \right]\\ &= E\left[ (A e_{k-1}^- + w_{k-1})({e_{k-1}^-}^T A^T + {w_{k-1}}^T) \right]\\ &= E\left[ A e_{k-1}^- {e_{k-1}^-}^T A^T + A e_{k-1}^- {w_{k-1}}^T + w_{k-1} {e_{k-1}^-}^T A^T + w_{k-1} {w_{k-1}}^T \right]\\ &= E[A e_{k-1}^- {e_{k-1}^-}^T A^T] + E[A e_{k-1}^- {w_{k-1}}^T] + E[w_{k-1} {e_{k-1}^-}^T A^T] + E[w_{k-1} {w_{k-1}}^T] \\ 其中&,e_{k-1}^-与w_{k-1}相互独立,且E[e_{k-1}^-],E[w_{k-1}] = 0 \\ \therefore\ &E[A e_{k-1}^- {w_{k-1}}^T] = A E[e_{k-1}^-] E[{w_{k-1}}^T] = 0 \\ Similarly &: E[w_{k-1} {e_{k-1}^-}^T A^T] = E[w_{k-1}] E[{e_{k-1}^-}^T] A^T = 0 \\ \therefore\ 原式 &= A E[e_{k-1}^- {e_{k-1}^-}^T] A^T + E[w_{k-1} {w_{k-1}}^T] \\ &= A P_{k-1} A^T + Q \\ 即:&\\ &{\color{blue}{P_k^- = A P_{k-1} A^T + Q}} \end{align*} \]


\(预测\)

\[\begin{align*} &先验: \hat{X}_k^- = A \hat{X}_{k-1}^- + B u_{k-1}& \\ &先验误差协方差: P_k^- = A P_{k-1} A^T + Q,{\color{green}{P_{k-1} \rightarrow 上一次误差的协方差}} \\ \end{align*} \]

\(校正\)

\[\begin{align*} Kalman\ Gain:K_k &=\frac{P_k^- H^T}{H P_k^- H^T + R} \\ 后验估计: \hat{X}_k &= \hat{X}_k^- + K_k (Z_k - H \hat{X}_k^-) \\ 更新误差协方差: P_k &= P_k^- - P_k^- H^T K_k^T - K_k H P_k^- + K_k H P_k^- H^T K_k^T + K_k R K_k^T \\ &= P_k^- - P_k^- H^T K_k^T - K_k H P_k^- + K_k (H P_k^- H^T + R) K_k^T \\ &= P_k^- - P_k^- H^T K_k^T - K_k H P_k^- + \frac{P_k^- H^T}{H P_k^- H^T + R} (H P_k^- H^T + R) K_k^T \\ &= P_k^- - P_k^- H^T K_k^T - K_k H P_k^- + P_k^- H^T K_k^T \\ &= P_k^- - K_k H P_k^- \\ &= (I - K_k H) P_k^- \end{align*} \]

http://www.jsqmd.com/news/159592/

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