Siirry päänavigointiin Siirry hakuun Siirry pääsisältöön

Estimation Algorithms for Non-Gaussian State-Space Models with Application to Positioning

  • Henri Nurminen

    Tutkimustuotos: VäitöskirjaCollection of Articles

    842 Lataukset (Pure)

    Abstrakti

    Tila-avaruusmalleilla mallinnetaan järjestelmiä, joilla on tuntema-
    ton ajassa muuttuva tila sekä mitatattava ulostulo. Tilastollisissa tila-
    avaruusmalleissa järjestelmän tilan muutos tunnetaan lukuunotta-
    matta prosessikohinaksi kutsuttua satunnaista termiä, ja mittauk-
    set sisältävät satunnaista mittauskohinaa. Kalmanin suodatin sekä
    Rauchin Tungin ja Striebelin siloitin ovat yleisesti käytettyjä sulje-
    tun muodon estimointialgoritmeja, jotka tuottavat tarkat bayesiläi-
    set suodatus- ja siloitusjakaumat diskreettiaikaisille lineaarisille ti-
    lastollisille tila-avaruusmalleille, joissa prosessi- ja mittauskohinat
    noudattavat gaussisia jakaumia. Jos käsiteltyyn tila-avaruusmalliin
    kuitenkin liittyy epälineaarisia funktioita tai epägaussisia kohinoita,
    bayesiläisiä suodatus- ja siloitusjakaumia ei yleensä voida ratkais-
    ta suljetun muodon algoritmeilla. Tässä väitöskirjassa tutkitaan ap-
    proksimatiivista bayesiläistä aikasarjapäättelyä ja sen soveltamista
    kahteen paikannusongelmaan, joissa gaussinen jakauma ei mallinna
    riittävän hyvin kaikkea hyödyllistä tietoa tutkitun järjestelmän tilas-
    tollisista ominaisuuksista: kartta-avusteinen sisätilapaikannus sekä
    signaalin kulkuaikamittauksiin perustuva paikannus.
    Sisätilakartan tuottamat liikerajoitteet voidaan liittää paikkaestimaat-
    tiin käyttäen partikkelisuodattimeksi kutsuttua algoritmia. Partik-
    kelisuodatin on Monte Carlo -algoritmi, joka soveltuu erityisesti ti-
    lastollisille tila-avaruusmalleille, joissa bayesiläisen posteriorijakau-
    man tiheysfunktio on niin monimutkainen, että sen approksimointi
    tunnetuilla matalan parametridimension jakaumilla ei ole mielekäs-
    tä. Kartta-avusteisessa sisätilapaikannuksessa reitit, jotka leikkaavat
    seiniä tai kerrostasoja, saavat muita pienemmät todennäköisyydet.
    Tässä väitöskirjassa esitetään parannuksia kolmeen eri partikkelisuo-
    datusalgoritmiin, joita sovelletaan kartta-avusteiseen sisätilapaikan-

    v


    nukseen. Seinätörmayssuodattimessa painolliset satunnaisnäytteet
    eli partikkelit liikkuvat inertiasensorimittausten mukaisesti, ja sei-
    nään törmäävät partikkelit saavat pienet painot. Kun inertiasensori-
    mittauksissa on paljon kohinaa, partikkeleita voidaan ohjata siten,
    että seinätörmäysten määrä vähenee, jolloin suurempi osa partikke-
    leista vaikuttaa estimaattiin. Kun inertiasensorimittauksia ei käytetä
    lainkaan, sisätilakartta voidaan esittää graafina, jonka kaarilla partik-
    kelit liikkuvat ja joka on riittävän tiheä approksimoimaan odotetta-
    vissa olevien reittien joukkoa.
    Esimerkiksi laajan taajuuskaistan radioista (UWB, ultra-wideband)
    tai paikannussatelliiteista saatavat radiosignaalin kulkuaikaan pe-
    rustuvat etäisyysmittaukset taas voivat sisältää monipolkuheijastus-
    ten ja suoran reitin estymisen aiheuttamia positiivismerkkisiä vir-
    heitä, jotka ovat huomattavan suuria useimpiin mittausvirheisiin
    verrattuna. Tässä väitöskirjassa esitetään laskennallisesti tehokkaita
    bayesiläisen suodattimen ja siloittimen approksimaatioita tilastol-
    lisille tila-avaruusmalleille, joissa mittauskohina noudattaa vinoa
    t -jakaumaa. Vino t -jakauma on gaussisen jakauman laajennos, ja
    sillä on kaksi lisäparametria, jotka vaikuttavat jakauman paksuhän-
    täisyyteen ja vinouteen. Kun mittauskohinaa mallintava jakauma
    oletetaan paksuhäntäiseksi, optimaalinen bayesiläinen algoritmi ei
    ole herkkä yksittäisille suurille mittausvirheille, ja kun jakauma olete-
    taan positiivisesti (tai negatiivisesti) vinoksi, algoritmit hyödyntävät
    tietoa, että suurin osa suurista virheistä on positiivisia (tai negatiivi-
    sia). Vino t -jakauma on siis gaussista jakaumaa joustavampi, ja sillä
    voidaan mallintaa kulkuaikaan perustuvien mittausten virhejakau-
    maa tarkemmin kuin gaussisella jakaumalla. Vinolla t -jakaumalla on
    myös ehdollisesti gaussinen esitys, joka soveltuu suodatus- ja siloi-
    tusposteriorien approksimointiin variaatio-Bayes-algoritmilla. Näin
    ollen esitetyt algoritmit voivat olla laskennallisesti tehokkaampia
    kuin Monte Carlo -algoritmit erityisesti tilan ollessa korkeaulotteinen.
    Tässä väitöskirjassa näytetään, että vino-t -virhejakauman käyttö pa-
    rantaa UWB-radioon perustuvan sisätilapaikannuksen tarkkuutta
    sekä satelliittipohjaisen ulkopaikannuksen tarkkuutta kaupunkiym-
    päristössä verrattuna laajennettuun Kalmanin suodattimeen. Vino-
    t -suodatuksen laskennallinen vaativuus on suurempi mutta samaa
    kertaluokkaa kuin laajennetun Kalmanin suodattimen.
    AlkuperäiskieliEnglanti
    KustantajaTampere University of Technology
    Sivumäärä71
    ISBN (elektroninen)978-952-15-4029-5
    ISBN (painettu)978-952-15-4010-3
    TilaJulkaistu - 24 marrask. 2017
    OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

    Julkaisusarja

    NimiTampere University of Technology. Publication
    Vuosikerta1499
    ISSN (painettu)1459-2045

    Sormenjälki

    Sukella tutkimusaiheisiin 'Estimation Algorithms for Non-Gaussian State-Space Models with Application to Positioning'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

    Siteeraa tätä