研讨会系列 · KF L16 · 第二部分

固定增益估计器与传感器融合

从收敛到固定增益估计器、信息形式的 Kalman Filter 推导、以及多传感器即插即用融合

📅 2026-05-23 🎯 固定增益 🔗 传感器融合 📊 信息形式

🎯 学完本节,你应能

掌握固定增益估计器与信息形式的传感器融合方法

📖 前置知识

建议先完成前面的课程,或具备线性代数与概率论基础。

🎯 本讲目标

在理解 $P_{k|k}$ 收敛性的基础上,推导固定增益估计器、学习信息形式的 KF 表示法,并掌握多传感器融合的即插即用方法。

🔑 核心思想

KF 的协方差收敛后,只需要一个固定增益矩阵 $K^*$ 即可;传感器融合在信息形式下天然支持模块化——每个传感器的贡献是独立的加性项。

📖 目录

1. 回顾:$P_{k|k}$ 收敛与稳态

上节课我们得出结论:当 $(A, C)$ 可观且 $(A, \sqrt{Q})$ 能控时,$P_{k|k}$ 收敛到稳态值 $\bar P$:

$$ \lim_{k \to \infty} P_{k|k} = \bar P $$

随之而来的是 Kalman 增益的收敛:

$$ \lim_{k \to \infty} K_{k} = K^* = \bar P C' [C \bar P C' + R]^{-1} $$

💡 为什么收敛?

直观上,每个新测量都提供一定量的"信息",而过程噪声又带来不确定性的增加。当信息收益 = 信息损失时,系统达到动态平衡——不确定性不再变化,增益也固定在最优值上。

2. 固定增益估计器

收敛后,KF 变成一个线性时不变系统(LTI system):

$$ \boxed{\hat x_{k|k} = A \hat x_{k-1|k-1} + K^* [y_{k} - C A \hat x_{k-1|k-1}]} $$

或者等价地写为预测形式:

$$ \boxed{\hat x_{k+1|k} = A \hat x_{k|k-1} + K^* [y_{k} - C \hat x_{k|k-1}]} $$

固定增益的求解

$K^*$ 可以通过求解 代数 Riccati 方程(ARE)得到:

$$ \bar P = A \bar P A' - A \bar P C' [C \bar P C' + R]^{-1} C \bar P A' + Q $$

ARE 可以离线求解(例如用迭代法或直接数值解法),得到 $\bar P$ 后再计算 $K^* = \bar P C' [C \bar P C' + R]^{-1}$。

🧠 关键认识

固定增益估计器是 KF 的"稳态版本"。它牺牲了初始阶段的时变最优性,换来了极大的计算简化。对于长时间运行的系统(如卫星的轨道确定),这是一个非常划算的交换。

3. 固定增益的工程实现优势

⬇️ 计算量显著降低

每一步只需:

  1. 矩阵-向量乘法 $A \hat x$ 或 $C A \hat x$
  2. 向量加减
  3. 常数矩阵-向量乘法 $K^*$

不再需要在线矩阵求逆,乘法次数从 O(n³) 降为 O(n²)。

💾 存储空间降为 O(1)

只需要存储:

  • 一个常数增益矩阵 $K^*$(大小 n×m)
  • 系统矩阵 $A$(已知)
  • 当前状态估计 $\hat x$

不需要存储整个增益序列或协方差矩阵序列。

🔧 实现简单

代码量大幅减少,调试和维护成本低。对于 FPGA 或微控制器实现特别有吸引力。

📊 性能可预期

一旦 $K^*$ 确定,估计器的动态性能(收敛速度、稳态误差)可以通过经典的控制理论工具(极点分析等)进行分析。

⚠️ 权衡

固定增益估计器在系统参数不变时表现良好。但如果 $Q$、$R$ 或系统模型发生显著变化,$K^*$ 就不再是最优的。此时需要重新求解 ARE 或切换回时变 KF。

4. 信息形式 Kalman Filter

标准 KF 使用协方差 $P$ 和状态 $\hat x$ 进行更新。有时候用它们的逆(信息矩阵 $\Omega = P^{-1}$ 和信息向量 $\xi = P^{-1} \hat x$)更加方便。

从标准形式到信息形式

回顾后验协方差的更新:

$$ P_{k|k}^{-1} = P_{k|k-1}^{-1} + C' R^{-1} C $$

以及状态更新:

$$ P_{k|k}^{-1} \hat x_{k|k} = P_{k|k-1}^{-1} \hat x_{k|k-1} + C' R^{-1} y_{k} $$

定义信息形式的变量:

信息矩阵

$$ \Omega_{k|k} = P_{k|k}^{-1} $$ $$ \Omega_{k|k-1} = P_{k|k-1}^{-1} $$

信息向量

$$ \xi_{k|k} = P_{k|k}^{-1} \hat x_{k|k} $$ $$ \xi_{k|k-1} = P_{k|k-1}^{-1} \hat x_{k|k-1} $$

信息形式的更新规则

$$ \boxed{\Omega_{k|k} = \Omega_{k|k-1} + C' R^{-1} C} $$ $$ \boxed{\xi_{k|k} = \xi_{k|k-1} + C' R^{-1} y_k} $$

💡 解读

信息形式的测量更新就是简单的加法!每次测量到来,就把 $C' R^{-1} C$(信息贡献)加到信息矩阵上,把 $C' R^{-1} y_{k}$(加权测量)加到信息向量上。这种"累加"的结构非常适合多传感器融合。

5. 传感器融合与即插即用

问题设定

假设有 $n$ 个传感器,第 $i$ 个传感器的测量模型为:

$$ y_{k}^i = C_{i} x_{k} + v_{k}^i, \quad v_{k}^i \sim N(0, R_{i}) $$

堆叠法(标准形式)

将所有测量堆叠成一个向量,然后套用标准 KF:

$$ y_{k} = \begin{bmatrix} y_{k}^1 \\\\ y_{k}^2 \\\\ \vdots \\\\ y_{k}^n \end{bmatrix} = C x_{k} + v_{k}, \quad C = \begin{bmatrix} C_{1} \\\\ C_{2} \\\\ \vdots \\\\ C_{n} \end{bmatrix}, \quad v_{k} \sim N(0, \text{diag}(R_{1}, \dots, R_{n})) $$

这种方法需要每次拼装大矩阵,不够灵活。

信息形式(即插即用)

用信息形式,每个传感器的贡献独立累加:

$$ \boxed{\Omega_{k|k} = \Omega_{k|k-1} + \sum_{i=1}^{n} C_{i}' R_{i}^{-1} C_i} $$ $$ \boxed{\xi_{k|k} = \xi_{k|k-1} + \sum_{i=1}^{n} C_{i}' R_{i}^{-1} y_{k}^i} $$

🧩 模块化

每个传感器的贡献独立计算,互不干扰。新增传感器只需增加对应的 $C_{i}' R_{i}^{-1} C_{i}$ 项。

🔌 即插即用

某个传感器的数据来了就加进去,没来就不加。天然支持异步传感器和可变采样率。

🛡️ 容错性强

某个传感器失效时,只需移除其贡献项。不需要重新设计整个融合逻辑。

🔗 实际应用场景

自动驾驶汽车有摄像头、激光雷达、IMU、GPS 等传感器,每个传感器可能以不同频率运行、随时掉线或信号延迟。信息形式的 KF 天然支持这种动态配置的融合需求——每个传感器来了就"加"进去,走了就"减"出来。

6. 从几何到概率的过渡

到目前为止,我们一直使用几何方法(投影定理 + 新息正交性)来推导 KF。这种方法有两个局限:

  1. 我们得到的只是线性最优估计(LMMSE)——能否保证这是全局最优?
  2. 几何方法没有显式使用分布信息——能否利用高斯分布的特殊性质?

🤔 开放问题

在线性高斯系统下,LMMSE 是否等于 MMSE(最小均方误差估计,即条件均值 $E[x_{k} | y_{0}, \dots, y_{k}]$)?如果等于,则说明 KF 的线性估计实际上是最优的——没有任何非线性方法能做得更好。

要回答这个问题,我们需要从概率的角度重新审视。这就是下一讲的内容——用条件高斯分布推导 MMSE 估计,并证明在线性高斯系统中 MMSE = LMMSE。同时还会从优化法的角度,将 Kalman 增益的求解转化为二次型最小化问题。

7. 本讲小结

本讲完成了 KF L16 的后半部分内容。总结核心要点:

概念 核心公式 工程意义
固定增益估计器 $\hat x_{k+1|k} = A \hat x_{k|k-1} + K^* [y_{k} - C \hat x_{k|k-1}]$ O(1) 存储、O(n²) 计算
信息形式 KF $\Omega_{k|k} = \Omega_{k|k-1} + C' R^{-1} C$ 加法更新,便于融合
传感器融合 $\Omega = \Omega_{0} + \sum C_{i}' R_{i}^{-1} C_{i}$ 即插即用、模块化、容错

📝 自测题

问题 1

固定增益估计器相比时变 KF 有什么优势和劣势?

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优势:计算量小(O(n²) 而非 O(n³))、存储开销小、实现简单。劣势:在初始阶段不是最优的(因为增益固定不能适应不确定性较大的初期);系统参数变化时需要重新求解 ARE。

问题 2

传感器融合中,信息形式的 KF 为什么支持即插即用?

问题 3

信息形式的测量更新与标准形式的测量更新本质上是等价的吗?

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是的。信息形式 $P_{k|k}^{-1} = P_{k|k-1}^{-1} + C' R^{-1} C$ 可以通过矩阵求逆引理(SMW 公式)推导出标准形式 $P_{k|k} = P_{k|k-1} - P_{k|k-1} C' [C P_{k|k-1} C' + R]^{-1} C P_{k|k-1}$。两者是完全等价的,只是表达形式不同。

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