研讨会系列 · KF L17 · 第二部分

Kalman 增益优化与三种方法对比

从优化角度重新推导 Kalman 增益——将 $P_{k}$ 写成 $K_{k}$ 的二次型,通过 Completion of Squares 求最优解

📅 2026-05-30 ⚡ 优化方法 📐 Completion of Squares 📊 方法对比

🎯 学完本节,你应能

掌握Kalman增益优化的三种方法:几何、概率与优化

📖 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

学习第三种推导 KF 的方法——优化法:构造一个形式合理的线性估计器,将后验协方差写成 Kalman 增益的二次型,通过 Completion of Squares 求得最优增益。

🔑 核心思想

优化法不依赖几何直觉(正交投影)也不依赖概率假设(高斯分布),只需要"构造线性估计器 + 最小化均方误差"这一工程直觉。

📖 目录

1. 为什么要第三种方法?

我们已经学习了两种推导 KF 的方法:

📐 几何法(投影)

优点:直观、可视化、不需要分布假设

局限:只得到 LMMSE,需要理解内积空间

📊 概率法(条件高斯)

优点:证明 MMSE = LMMSE

局限:需要高斯分布假设

优化法带来了独特的价值:

⚡ 优化法的独特价值

优化法在推广到非线性/非高斯系统时特别有价值——你可以改变估计器的结构来适应非线性(例如用神经网络替换线性映射),然后用同样的优化框架求解。

2. 优化问题设定

考虑如下递归线性估计器(不含测量噪声协方差先验信息):

$$ \hat x_{k+1} = A \hat x_{k} + K_{k+1} (y_{k+1} - C A \hat x_{k}) $$

其中初始条件 $\hat x_{0} = 0$。这是一个"预测 + 修正"结构的线性估计器,但增益 $K_{k+1}$ 尚未确定。

我们的目标:找到 $K_{k+1}$ 使得后验误差协方差最小化。

$$ \boxed{\text{Find } K_{k+1} \text{ s.t. } P_{k+1} = E[(x_{k+1} - \hat x_{k+1})(x_{k+1} - \hat x_{k+1})'] \text{ is minimized}} $$

这里的优化是一个矩阵优化问题——我们要找一个矩阵 $K$ 使得协方差矩阵(在矩阵半正定序下)最小。

3. 误差协方差的二次型表达

步骤 1:计算预测误差

预测阶段:$\hat x_{k+1|k} = A \hat x_{k}$

$$ \begin{aligned} \tilde x_{k+1|k} &= x_{k+1} - A \hat x_{k} \\ &= (A x_{k} + w_{k}) - A \hat x_{k} \\ &= A \tilde x_{k} + w_{k} \end{aligned} $$

预测协方差:$P_{k+1|k} = A P_{k} A' + Q$

步骤 2:计算后验误差

$$ \begin{aligned} \tilde x_{k+1} &= x_{k+1} - \hat x_{k+1} \\ &= x_{k+1} - [A \hat x_{k} + K_{k+1} (y_{k+1} - C A \hat x_{k})] \\ &= \tilde x_{k+1|k} - K_{k+1} (C \tilde x_{k+1|k} + v_{k+1}) \end{aligned} $$

步骤 3:写出协方差矩阵

$$ \begin{aligned} P_{k+1}(K_{k+1}) &= E[\tilde x_{k+1} \tilde x_{k+1}'] \\ &= (I - K_{k+1} C) P_{k+1|k} (I - K_{k+1} C)' + K_{k+1} R K_{k+1}' \end{aligned} $$

展开后得到:

$$ \boxed{P_{k+1}(K) = P_{k+1|k} - K C P_{k+1|k} - P_{k+1|k} C' K' + K (C P_{k+1|k} C' + R) K'} $$

这正是 $K$ 的二次型!其中 $K$ 是变量,$P_{k+1|k}$、$C$、$R$ 都是已知量。

💡 关键观察

$P_{k+1}(K)$ 是 $K$ 的二次型:线性项($K$ 和 $K'$)和二次项($K \cdot R_{e} \cdot K'$)。这与标量情况下对 $x$ 求 $ax^2 + bx + c$ 的最小值是类似的思路,只是这里是矩阵版本。

4. Completion of Squares 求解

在标量情况下,配方法(completing the square)将 $ax^2 + bx + c$ 改写为 $a(x + b/(2a))^2 + (c - b^2/(4a))$。矩阵情况下做类似操作:

步骤 1:提取公因子

记 $S = C P_{k+1|k} C' + R = R_{e,k+1}$,有:

$$ \begin{aligned} P_{k+1}(K) &= P_{k+1|k} - K C P_{k+1|k} - P_{k+1|k} C' K' + K S K' \\ &= P_{k+1|k} - P_{k+1|k} C' S^{-1} C P_{k+1|k} \\ &\quad + (K - P_{k+1|k} C' S^{-1}) S (K - P_{k+1|k} C' S^{-1})' \end{aligned} $$

步骤 2:验证配方法

展开最后一项验证:

$$ \begin{aligned} &(K - P C' S^{-1}) S (K - P C' S^{-1})' \\ =& K S K' - K S S^{-1} C P - P C' S^{-1} S K' + P C' S^{-1} S S^{-1} C P \\ =& K S K' - K C P - P C' K' + P C' S^{-1} C P \end{aligned} $$

代入原式即验证了等式。

步骤 3:确定最优增益

由于 $S \succ 0$(正定),二次项 $(K - \text{opt}) S (K - \text{opt})'$ 永远是半正定矩阵。要最小化 $P_{k+1}(K)$,只需让这一项为零:

$$ \boxed{K_{k+1}^* = P_{k+1|k} C' S^{-1} = P_{k+1|k} C' [C P_{k+1|k} C' + R]^{-1}} $$

代入后得到最小协方差:

$$ \boxed{P_{k+1}^* = P_{k+1|k} - P_{k+1|k} C' S^{-1} C P_{k+1|k}} $$

🧠 理解 Completion of Squares

配方法的核心思路:把 $P(K)$ 写成 $\text{常数} + (K - K^*) S (K - K^*)'$。由于 $S \succ 0$,右边第二项≥0,所以当 $K = K^*$ 时 $P(K)$ 最小。这个常数就是最小可能的协方差。

5. 最优增益的全新视角

优化法给出了一个不同于几何法和概率法的理解角度:

📐 几何法视角

$K_{k}$ 是投影系数——将状态$x_{k}$投影到新息方向上。

📊 概率法视角

$K_{k}$ 是回归系数——$\Sigma_{xy} \Sigma_{y}^{-1}$的自然产物。

⚡ 优化法视角

$K_{k}$ 是优化变量——使协方差二次型最小的唯一解。

三种方法殊途同归

三种方法得到的 Kalman 增益表达式完全一致:

$$ \boxed{K_{k} = P_{k|k-1} C' [C P_{k|k-1} C' + R]^{-1}} $$

这验证了一个深刻的事实:

🌟 Kalman Filter 的普适性

无论你从哪个角度进入——几何、概率还是优化——KF 都是在线性高斯系统下你能做到的最好估计器。这种"殊途同归"的美,正是 KF 作为经典算法的魅力所在。

6. 三种方法详细对比

方法 核心工具 数学基础 优势 局限
📐 几何法 投影定理、正交原理 内积空间 直观、可视化 只得到 LMMSE
📊 概率法 条件高斯公式 概率论 证明 MMSE = LMMSE 需要高斯假设
⚡ 优化法 Completion of Squares 矩阵微积分 工程直觉强、可推广 需预设估计器结构

推广路径对比

➡️ 非高斯系统

几何法仍可得到 LMMSE,但不再是 MMSE。优化法可以改变估计器结构来适应非线性和非高斯。

➡️ 非线性系统

优化法的推广路径最自然:将线性估计器替换为非线性结构(如神经网络),仍然使用最小化 MSE 的框架。这就是 EKF、UKF、粒子滤波等方法的理论基础。

7. 总结与展望

到此为止,我们用了三节课(L15-L17),从三个不同角度完成了 Kalman Filter 的完整推导:

  • L15(第一讲):新息过程——定义、正交性与协方差
  • L15(第二讲):Kalman 增益与后验协方差——几何投影法
  • L16(第一讲):时间更新——投影法证明与收敛性
  • L16(第二讲):固定增益估计器与传感器融合
  • L17(第一讲):条件高斯定理与 MMSE 估计
  • L17(第二讲):Kalman 增益优化与三种方法对比

接下来,我们将进入新的主题——动态规划(Dynamic Programming),它是 KF 在最优控制中的延伸,也是理解更广泛序贯决策问题的基础框架。

📝 自测题

问题 1

优化法推导 KF 的核心思路是什么?

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构造一个形式合理的线性递归估计器(预测 + 修正结构),将后验协方差 $P_{k+1}$ 写成增益 $K_{k+1}$ 的二次型,然后通过 Completion of Squares 找到使协方差最小化的最优增益。

问题 2

Completion of Squares 推导中,为什么最优增益是 $K^* = P C' S^{-1}$?

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配方法将 $P(K)$ 写成 $\text{const} + (K - K^*) S (K - K^*)'$。由于 $S = C P C' + R \succ 0$,第二项总是半正定矩阵,只有在 $K = K^*$ 时为零,此时 $P(K)$ 达到最小。

问题 3

三种推导 KF 的方法(几何法、概率法、优化法)的共同点和不同点是什么?

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