Введение

Быстрый фильтр Кальмана (FKF), разработанный Антти Ланге (род. 1941), представляет собой расширение метода блочной обработки Helmert–Wolf (HWB) из геодезии для применения в критически важных для безопасности приложениях фильтрации Кальмана (KF) в реальном времени, таких как GNSS-навигация с сантиметровой точностью и спутниковая съемка Земли, включая атмосферную томографию.

Мотивация

Кальмановские фильтры — важный метод фильтрации для повышения отказоустойчивости широкого спектра систем, включая системы обработки изображений в реальном времени. Обычный фильтр Калмана является оптимальным алгоритмом фильтрации для линейных систем. Однако оптимальный фильтр Калмана не является устойчивым (т.е. надежным), если условия наблюдаемости и управляемости Калмана не выполняются непрерывно. Поддерживать эти условия для систем большего размера крайне сложно. Это означает, что даже оптимальные фильтры Калмана могут начать отклоняться в сторону неверных решений. К счастью, устойчивость оптимального фильтра Калмана можно контролировать, отслеживая его дисперсии ошибок, при условии, что их можно надежно оценить (например, с помощью MINQUE). Однако их точное вычисление значительно сложнее, чем сама оптимальная фильтрация Калмана. Метод вычислений FKF часто обеспечивает необходимое ускорение и в этом плане.

Оптимальная калибровка

Параметры калибровки — типичный пример параметров состояния, которые могут вызывать серьезные проблемы наблюдаемости при непрерывном использовании фильтром Калмана узкого диапазона данных (то есть недостаточного количества измерений). Наблюдательные приборы на борту орбитальных спутников служат примером оптимальной фильтрации Калмана, где их калибровка выполняется косвенно на Земле. Существуют и другие параметры состояния, которые могут быть слабо или вообще не наблюдаемы при обработке фильтром Калмана небольших порций данных.

Обратная проблема

Вычислительная нагрузка обратной задачи обычной рекурсии Калмана приблизительно пропорциональна кубу количества одновременно обрабатываемых измерений. Это число всегда можно установить равным 1, обрабатывая каждое скалярное измерение независимо и (при необходимости) применяя простой алгоритм предварительной фильтрации для декорреляции этих измерений. Однако для любой крупной и сложной системы эта предварительная фильтрация может потребовать вычислительных ресурсов HWB. Продолжительное использование слишком узкого окна входных данных снижает наблюдаемость параметров калибровки, и в долгосрочной перспективе это может привести к серьезным проблемам с управляемостью, что совершенно недопустимо в приложениях, критичных к безопасности. Даже при одновременной обработке большого количества измерений, часто линеаризованная система уравнений становится разреженной, поскольку некоторые измерения оказываются независимыми от определенных параметров состояния или калибровки. В задачах спутниковой геодезии вычислительная нагрузка метода HWB (и FKF) приблизительно пропорциональна квадрату общего числа параметров состояния и калибровки, а не миллиардов измерений.

Приложения

Метод FKF расширяет очень высокую точность спутниковой геодезии на сферические системы виртуальных опорных станций (VRS) для кинематической съемки в реальном времени (RTK), мобильного позиционирования и высоконадежной навигации. Первым важным применением станет оптимальная калибровка глобальных систем наблюдений в режиме реального времени в метеорологии, геофизике, астрономии и других областях. Например, система численного прогноза погоды (ЧПП) теперь может прогнозировать наблюдения с указанием доверительных интервалов, что позволит улучшить оперативный контроль качества. Внезапное увеличение неопределенности при прогнозировании наблюдений будет свидетельствовать об отсутствии важных данных (проблема наблюдаемости) или о непредсказуемом изменении погодных условий (проблема управляемости). Дистанционное зондирование и получение изображений со спутников частично основаны на прогнозируемой информации. Для обеспечения стабильности обратной связи между этими прогнозами и спутниковыми изображениями требуется быстрое и надежное объединение данных с различных датчиков, что и обеспечивает FKF. Вычислительное преимущество FKF несущественно для приложений, работающих с небольшими объемами данных в реальном времени. Поэтому, прежде чем персональные устройства и системы машинного типа смогут в полной мере использовать возможности FKF, необходимо разработать и внедрить в широкое использование усовершенствованную встроенную инфраструктуру калибровки и передачи данных.