Методы оптимального оценивания

Рассмотрим ошибку оценки

 и ковариационную матрицу ошибки оценки

.

При синтезе оптимального фильтра будем добиваться, чтобы ковариационная матрица оптимального фильтра удовлетворяла неравенству

,                                                                                    (*)

где -ковариационная матрица ошибки оптимальной оценки .

Введем обозначения: , .

В теории оптимального оценивания получен следующий фундаментальный результат: оптимальная оценка в смысле выполнения неравенства (*), как неравенства квадратичных форм, существует и представляет собой условное математическое ожидание вектора состояния, записываемое в виде

    ,                                     (**)

где -условная (апостериорная) плотность вектора , а - совместная плотность распределения векторов  и .

Здесь и далее, интегралы понимаются как многомерные, а дифференциалы от векторов- как произведения дифференциалов их компонент, при этом совместная плотность  понимается как совместная плотность вектора состояния динамической системы и измерений в последовательные моменты времени 0,1,2,…… : .

Действительно, пусть  оценка, выработанная любым фильтром

Ошибке этой оценки придадим вид

Где

Заметим, что математическое ожидание берется по совокупности случайных величин и найти его можно последовательно

.

Условную ковариационную матрицу ошибки оценки запишем в виде

Рассмотрим второе слагаемое

.

 Используя тот факт, что по предположению получим, что

,   и

Проводя теперь осреднение по множеству измерений, также получаем связь между средними ковариационными матрицами

Отметим, что из неравенства (*), понимаемого как неравенство квадратичных форм, вытекает ряд свойств ошибок оптимальной оценки, важных для практических, в частности, навигационных приложений

· среднеквадратические ошибки оценок всех компонент вектора состояния минимальны;

· определитель и главные миноры ковариационной матрицы минимальны;

· след ковариационной матрицы, представляющий собой сумму вторых центральных моментов компонент вектора состояния динамической системы минимален;

· оценка любой линейной комбинации компонент вектора состояния имеет минимальную среднеквадратическую ошибку.

Рассмотрим теперь совместную плотность распределения , используемую для выработки оптимальной оценки. Известно, что эта плотность по правилу перемножения плотностей может быть представлена в виде

.                                       

 Фрагменты этой плотности  и  при описании поведения динамической системы и процесса измерений уравнениями

,                                                                  

,                                                                       

где -вектор состояния размерности ; -вектор измерений размерности ; , -центрированные гауссовские векторы белошумных возмущений и ошибок измерений с ковариационными матрицами  и  соответственно, -многомерная, в общем случае, нелинейная функция; -гауссовский вектор начальных условий, ,

в свою очередь, могут быть представлены с использованием плотностей распределения  и  как

,                                            

.                             

Совместная плотность распределения  при этом примет следующий вид:

.          

Таким образом, имея совместную плотность распределения можно получить условную плотность распределения и решить задачу оптимального оценивания вектора  с использованием выражения (**)

.

 

Показано, что в случае описания поведения динамической системы и процесса измерений линейными уравнениями при гауссовском распределении ошибок измерений и возмущений в рамках байесовского подхода может быть получены рекуррентные процедуры, получившие название линейного фильтра Калмана.

 Фактически рассмотренная процедура является решением задачи оценивания в рамках байесовcкого подхода когда используется совместная плотность распределения.