Datei:Kalman Polynom vs GLS.svg
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Beschreibung
BeschreibungKalman Polynom vs GLS.svg |
English: Kalman filter comparted to generalized least square estimation
Deutsch: Kalman-filter im Vergleich mit einer Schätzung mit generalisierten kleinsten Quadraten |
Datum | |
Quelle | Eigenes Werk |
Urheber | Physikinger |
SVG‑Erstellung InfoField | Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt. |
Quelltext InfoField | Python code# This source code is public domain
# Autor: Christian Schirm
import numpy
import matplotlib.pyplot as plt
# Generate polynomial
nSteps = 121
coeff = [-50, 70, -16, 1]
sigmaNoise = 50
sigmaPrior = 100
xMax = 10
ts = numpy.linspace(0,xMax,nSteps)
deltaT = ts[1] - ts[0]
nPoly = len(coeff)
A = numpy.array([ts**i for i in range(nPoly)])
y_polynomial = coeff @ A
# Noise
numpy.random.seed(1)
noise = sigmaNoise*numpy.random.randn(nSteps)
# Add noise to the signal
y = y_polynomial + noise
# Prepare Kalman estimation
D = numpy.zeros((nPoly,nPoly))
D[(numpy.arange(nPoly-1), numpy.arange(nPoly-1)+1)] = 1
Dt = D*deltaT
F = numpy.identity(nPoly) + Dt + Dt @ Dt/2 + Dt @ Dt @ Dt/6
H = numpy.zeros((1,nPoly))
H[0,0] = 1
# Initialize Kalman estimation
x = numpy.zeros(nPoly)
P = sigmaPrior**2 * numpy.identity(nPoly)
# Start Kalman iteration
yEst = []
ySigma = []
for i in range(len(y)):
# Propagate
if i > 0:
x = F @ x
P = F @ P @ F.T
# Estimate
K = P @ H.T @ numpy.linalg.inv(H @ P @ H.T + sigmaNoise**2)
x = x + K @ (y[i] - H @ x)
P = (numpy.identity(nPoly) - K @ H) @ P
ySigma.append(P[0,0])
yEst.append(x[0])
ySigma = numpy.sqrt(ySigma)
# Select prior state for GLS estimation
p = numpy.ones(nPoly)/sigmaPrior
p[2] *= 2
p[3] *= 6
# Iterative GLS estimation
yLSI = []
for i in range(nSteps):
nm = min(nPoly, i+1)
RN = numpy.zeros((i+1,i+1))
RN[numpy.diag_indices(RN.shape[0])] = 1/sigmaNoise**2
RI = numpy.zeros((nm,nm))
RI[numpy.diag_indices(RI.shape[0])] = p[:nm]**2
Ai = A[:nm,:i+1]
cLS = numpy.linalg.inv(Ai @ RN @ Ai.T + RI) @ Ai @ RN @ y[:i+1]
yLSI.append(cLS @ Ai[:,i])
# Plot
plt.figure(figsize=(6,3.2))
#plt.fill_between(ts,y_polynomial-ySigma, y_polynomial+ySigma, color='0.2', alpha=0.17, label='Konfidenzintervall', lw=0)
#plt.plot(ts,y,'.-', color='C1', markersize=4, linewidth=0.4, alpha=0.6, label='Polynom + Rauschen')
plt.plot(ts,y_polynomial,'C2', label='Polynom 3. Grades')
plt.plot(ts,yEst,'c-', color='#2f97ff', label='Kalman-Schätzung')
# please not that yLS is not defined in this code! the code will therefore result in an error, the following line should be commented out or the calculation of yLS must be included.
plt.plot(ts,yLS,'k-', alpha=0.25, label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (ohne a-priori)')
plt.plot(ts,yLSI,'C3--' ,label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (mit a-priori)')
plt.xlabel('Zeit')
plt.legend(loc=4)
plt.tight_layout()
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.svg')
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.png')
#plt.show()
|
Lizenz
Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright zur Verfügung gestellt. | |
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1. Februar 2022
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aktuell | 22:02, 1. Feb. 2022 | 540 × 288 (44 KB) | wikimediacommons>Physikinger | Uploaded own work with UploadWizard |
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Höhe | 230.4pt |
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