¿Cuál es el significado de la ganancia de Kalman? ¿Qué produciría una ganancia mayor / menor?

Las mediciones y los estados podrían ser vectores, en cuyo caso la ganancia de Kalman es una matriz de ganancia de cada medición a cada estimación de estado. Es más fácil entender el significado de la ganancia de Kalman en el caso escalar y generalizar desde allí:

x [n + 1] = x [n + 1 | n] + K * (y [n + 1] – H * x [n + 1 | n])

En palabras, la estimación del estado después de la medición es la predicción del último estado (propagado por el modelo, por ejemplo, con la última velocidad estimada) más la ganancia de Kalman (K) multiplicada por la innovación. La innovación es la diferencia entre la medición y [n + 1] y dónde esperábamos encontrar la medición: el último estado propagado pasado a través de la matriz modelo H (recuerde: y = Hx).

Si la ganancia es cero, el siguiente estado es solo el último estado propagado – x [n + 1 | n]

Si la ganancia es H ^ -1 (H es escalar h en este caso), el siguiente estado es la medición, transformada del modelo – y [n + 1] / h.

Si existe una alta confianza en la medición en relación con la covarianza del estado propagado, la ganancia será alta, de lo contrario sería baja. Por lo tanto, a medida que el filtro converge, las ganancias se hacen más pequeñas, en un estado estable que está determinado por la matriz de ruido de propagación (Q) y la covarianza de medición (R).

Observe que para un sistema dinámico LTI discreto típico [matemática] (A, B, C, D) [/ matemática], la ganancia de Kalman viene dada por [matemática] K: = Q_nC ^ * (CQ_nC ^ * + DRD ^ *) ^ {- 1} [/ math] (donde supuse que el ruido de medición se distribuiría como [math] \ mathcal {N} (0, R) [/ math]).

Naturalmente, de esto se deduce que la ganancia de Kalman, [matemática] K, [/ matemática] disminuye con [matemática] D [/ matemática] y [matemática] R [/ matemática] como [matemática] K \ propto (DRD ^ { *}) ^ {- 1} [/ matemáticas].

La ganancia de Kalman es mayor (o inferior) simplemente significa la cantidad de “actualización” que debe realizarse en cada cálculo recursivo de la estimación del estado (recuerde que [matemáticas] \ hat {x} _ {k + 1 | k} = A \ hat {x} _ {k | k-1} + K \; “\ text {innovation}” [/ math]).

Si tiene una mayor [matemática] K [/ matemática] (o menor [matemática] D, R [/ matemática] ), esto significa esencialmente que su mejor estimador lineal posible está haciendo actualizaciones más grandes basadas en las mediciones entrantes , lo cual tiene sentido porque la medida ahora contiene ruido “menor”. [es útil recordar que KF es el mejor estimador lineal si los ruidos de proceso y medición son blancos e iid]

En otras palabras, cuando [math] R, D [/ math] son ​​más pequeños, su sensor está haciendo mejores mediciones del estado [math] x_k [/ math]; que se refleja en la forma de una mayor ganancia.

Una mayor [matemática] K [/ matemática] también se traduce en una menor covarianza de error (a través de la ecuación de Riccati) desde [matemática] Q_ {k + 1} \ propto -K [/ matemática].

Espero que ayude.
Gracias por el A2A.