Жылдам Калман сүзгісі: Тұрақтылық және қауіпсіздік қолданбалары
Fast Kalman filter
Жылдам Калман сүзгісі (FKF): GNSS навигациясы, спутниктік суреттерде дұрыс дерек алу үшін қолданылады. Жүйелердің қауіпсіздігін арттырады, тұрақтандырады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Анти Ланге (1941 жылы туған) жасаған жылдам Кальман сүзгісі (FKF) – бұл геодезиядағы Гельмерт-Вольф блоктық (HWB) әдісінің Кальман сүзгісінің (KF) қауіпсіздікке аса маңызды, нақты уақыт қолданыстарына, мысалы, сантиметрлік дәлдікпен GNSS навигациясына және атмосфералық томографияны қоса, Жердің спутниктік суретке түсіруіне дейін кеңейтілген нұсқасы.
The fast Kalman filter (FKF), devised by Antti Lange (born 1941), is an extension of the Helmert–Wolf blocking (HWB) method from geodesy to safety critical real time applications of Kalman filtering (KF) such as GNSS navigation up to the centimeter level of accuracy and
satellite imaging of the Earth including atmospheric tomography.
Мотивация
Калман сүзгілері – нақты уақыттағы бейнелеуді қоса алғанда, кең ауқымды жүйелерге қателерге төзімділікті енгізу үшін маңызды сүзгілеу техникасы болып табылады. Стандартты Калман сүзгісі – сызықты жүйелер үшін оңтайлы сүзгілеу алгоритмі. Дегенмен, Калманның байқау және басқару шарттары үнемі орындалмаса, оңтайлы Калман сүзгісі тұрақты (сенімді) болмайды. Мұндай шарттарды кез келген үлкен жүйеде сақтау өте қиын. Бұл оңтайлы Калман сүзгілері тіпті бұрыс шешімдерге қарай жинақталуы мүмкін дегенді білдіреді. Ақыр соңында, оның қателік дисперсиясын қадағалау арқылы оңтайлы Калман сүзгісінің тұрақтылығын бақылауға болады, егер оларды сенімді түрде бағалау мүмкін болса (мысалы, MINQUE арқылы). Бірақ оларды дәл есептеу оңтайлы Калман сүзгісінен гөрі әлдеқайда күшті талап етеді. FKF есептеу әдісі осы жағдайларда да қажетті жылдамдықты қамтамасыз етеді.
Kalman filters are an important filtering technique for building fault tolerance into a wide range of systems, including real time imaging. The ordinary Kalman filter is an optimal filtering algorithm for linear systems. However, an optimal Kalman filter is not stable (i. e. reliable) if Kalman's observability and controllability conditions are not continuously satisfied. These conditions are very challenging to maintain for any larger system. This means that even optimal Kalman filters may start diverging towards false solutions. Fortunately, the stability of an optimal Kalman filter can be controlled by monitoring its error variances if only these can be reliably estimated (e. g. by MINQUE). Their precise computation is, however, much more demanding than the optimal Kalman filtering itself. The FKF computing method often provides the required speed up also in this respect.
Оптималды калибрлеу
Калибрлеу параметрлері – Калман сүзгісі деректердің тар диапазонында (яғни, жеткіліксіз өлшемдерде) жұмыс істеген кезде байқау мүмкіндігімен байланысты маңызды қиындықтар тудыруы мүмкін жағдай параметрлерінің классикалық мысалы. Жер айналысындағы серіктердегі бақылау құралдары оптималды Кальман сүзгілеуінің мысалы болып табылады, онда олардың калибрлеуі жерде тікелей жасалмайды. Кез келген Кальман сүзгісімен бір мезгілде өңделген деректердің шағын жиынтығы болған жағдайда, байқау қиын немесе тіпті мүмкін емес басқа да жағдай параметрлері болуы мүмкін.
Calibration parameters are a typical example of those state parameters that may create serious observability problems if a narrow window of data (i. e. too few measurements) is continuously used by a Kalman filter. Observing instruments onboard orbiting satellites gives an example of optimal Kalman filtering where their calibration is done indirectly on ground. There may also exist other state parameters that are hardly or not at all observable if too small samples of data are processed at a time by any sort of a Kalman filter.
Кері проблема
Кәдімгі Калман рекурсиясының кері проблемасының есептеу жүктемесі бір мезгілде өңделген өлшемдер санының кубына шамамен пропорционалды. Бұл санды әрбір скалярлық өлшеуді жеке өңдеу және (қажет болған жағдайда) осы өлшемдерді байланыссыз ету үшін қарапайым алдын ала сүзгілеу алгоритмін қолдану арқылы әрқашан 1-ге орнатуға болады. Дегенмен, кез келген үлкен және күрделі жүйе үшін мұндай алдын ала сүзгілеу HWB есептеуін қажет етуі мүмкін. Егер кірістік деректердің тым тар терезесі қолданылса, калибрлеу параметрлерін бақылау әлсірейді және ұзақ мерзімді перспективада қауіпсіздік маңызды қолданбаларда мүлдем қабылдауға болмайтын бақылау проблемаларына әкелуі мүмкін. Көптеген өлшемдер бір уақытта өңделген жағдайда да, кейбір өлшемдер кейбір күй немесе калибрлеу параметрлеріне тәуелсіз болып шығуы мүмкін болғандықтан, сызықтық теңдеулер жүйесі жиі сиреп қалады. Спутниктік геодезия мәселелерінде HWB (және FKF) әдісінің есептеу жүктемесі тек күй және калибрлеу параметрлерінің жалпы санының квадратына шамамен пропорционалды, ал миллиардтаған өлшемдерге емес.
The computing load of the inverse problem of an ordinary Kalman recursion is roughly proportional to the cube of the number of the measurements processed simultaneously. This number can always be set to 1 by processing each scalar measurement independently and (if necessary) performing a simple pre filtering algorithm to de correlate these measurements. However, for any large and complex system this pre filtering may need the HWB computing. Any continued use of a too narrow window of input data weakens observability of the calibration parameters and, in the long run, this may lead to serious controllability problems totally unacceptable in safety critical applications. Even when many measurements are processed simultaneously, it is not unusual that the linearized equation system becomes sparse, because some measurements turn out to be independent of some state or calibration parameters. In problems of Satellite Geodesy, the computing load of the HWB (and FKF) method is roughly proportional to the square of the total number of the state and calibration parameters only and not of the measurements that are billions.
Қолданбалар
FKF әдісі спутниктік геодезияның жоғары дәлдігін виртуалды анықтама станциясы (VRS) арқылы нақты уақыт кинематикалық (RTK) өлшеулеріне, мобильді позициялауға және өте сенімді навигацияға дейін ұзартады. Алғашқы маңызды қолданыстары метеорология, геофизика, астрономия және т.б. салалардағы жаһандық бақылау жүйелерін нақты уақыт режимінде оңтайлы калибрлеу болып табылады. Мысалы, сандық ауа райын болжау (NWP) жүйесі енді бақылауларды сенімділік интервалдарымен болжауға мүмкіндік береді, соның арқасында олардың операциялық сапасын бақылау жақсартылуы мүмкін. Бақылауларды болжаудағы белгісіздіктің күрт өсуі маңызды бақылаулардың жоғалғанын (бақылау мүмкін еместігі мәселесі) немесе ауа райының болжаусыз өзгеруін (бақылауға келмейтін мәселесі) көрсетеді. Спутниктік қашықтан зондтау және бейнелеу ішінде болжамды ақпаратқа сүйенеді. Осы болжамдар мен спутниктік суреттер арасындағы кері байланыстың тұрақтылығын бақылау үшін жылдам және сенімді сенсорлық интеграциялау әдісі қажет, және FKF осы талапқа сай келеді. FKF-тың есептеулік артықшылығы тек нақты уақытта аз көлемдегі деректерді пайдаланатын қолданыстар үшін маргіналды. Сондықтан, жеке құрылғылар мен машинадан машинаға құрылғылар FKF-тың мүмкіндіктерін толыққанды пайдалану үшін, ең алдымен жақсартылған калибрлеу және деректерді жеткізу инфрақұрылымын дамыту және оны қолдануға енгізу қажет.
The FKF method extends the very high accuracies of Satellite Geodesy to Virtual Reference Station (VRS) Real Time Kinematic (RTK) surveying, mobile positioning and ultra reliable navigation. First important applications will be real time optimum calibration of global observing systems in Meteorology, Geophysics, Astronomy etc. For example, a Numerical Weather Prediction (NWP) system can now forecast observations with confidence intervals and their operational quality control can thus be improved. A sudden increase of uncertainty in predicting observations would indicate that important observations are missing (observability problem) or an unpredictable change of weather is taking place (controllability problem). Remote sensing and imaging from satellites are partly based on forecasted information. Controlling stability of the feedback between these forecasts and the satellite images requires a sensor fusion technique that is both fast and robust, which the FKF fulfills. The computational advantage of FKF is marginal for applications using only small amounts of data in real time. Therefore, improved built in calibration and data communication infrastructures need to be developed first and introduced to public use before personal gadgets and machine to machine devices can make the best out of FKF.