상태 공간 모델
확장 칼만 필터의 핵심은 시스템을 상태 공간 모델(State Space Model)로 나타내는 것이다. 상태 공간 모델은 시스템의 동작을 수학적으로 기술하는 방법으로, 시스템의 현재 상태를 시간에 따라 추정하는 데 사용된다. 비선형 시스템은 아래와 같이 일반적인 형태로 표현될 수 있다.
여기서: - \mathbf{x}_k는 시간 k에서의 상태 벡터이다. - f(\cdot)는 상태 전이 함수로, 이전 상태 \mathbf{x}_{k-1}와 입력 \mathbf{u}_{k-1}을 사용하여 현재 상태를 예측한다. - \mathbf{w}_{k-1}는 시스템 노이즈(흰색 잡음)로, \mathbf{w}_{k-1} \sim \mathcal{N}(0, \mathbf{Q}_{k-1})를 따른다. - \mathbf{z}_k는 측정 벡터로, 관측 모델 h(\cdot)에 의해 상태 \mathbf{x}_k에서 도출된다. - \mathbf{v}_k는 측정 노이즈로, \mathbf{v}_k \sim \mathcal{N}(0, \mathbf{R}_k)를 따른다.
예측 단계
확장 칼만 필터에서 상태 추정은 크게 두 단계로 나누어진다. 첫 번째 단계는 예측 단계로, 시스템의 동적 모델을 기반으로 현재 상태를 예측한다. 상태 벡터 \mathbf{x}_{k}의 예측값은 이전 상태 \mathbf{x}_{k-1}과 입력 \mathbf{u}_{k-1}을 사용하여 계산된다. 예측 단계의 목적은 관측되지 않은 상태를 추정하는 것이다.
- 상태 예측:
여기서 \hat{\mathbf{x}}_k^-는 시간 k에서의 예측된 상태 벡터이다.
- 오차 공분산 예측:
여기서: - \mathbf{P}_k^-는 예측된 오차 공분산 행렬이다. - \mathbf{F}_k = \frac{\partial f}{\partial \mathbf{x}_{k-1}}는 상태 전이 함수의 야코비 행렬이다. - \mathbf{Q}_{k-1}는 시스템 노이즈 공분산 행렬이다.
예측 단계에서는 현재 상태에 대한 추정값을 계산하며, 노이즈가 포함된 상태 전이 모델을 기반으로 오차 공분산도 함께 계산된다.
업데이트 단계
두 번째 단계는 업데이트 단계로, 이 단계에서는 측정값을 사용하여 상태 예측값을 갱신한다. 확장 칼만 필터는 비선형 시스템에서 작동하기 때문에, 상태를 갱신하기 위해서 선형화를 수행해야 한다. 이를 위해 측정 모델 h(\cdot)을 선형화한 야코비 행렬을 사용한다.
- 칼만 이득 계산:
여기서: - \mathbf{K}_k는 시간 k에서의 칼만 이득이다. - \mathbf{H}_k = \frac{\partial h}{\partial \mathbf{x}_k}는 측정 모델의 야코비 행렬이다. - \mathbf{R}_k는 측정 노이즈 공분산 행렬이다.
칼만 이득은 예측된 상태와 측정된 데이터를 결합하는 데 사용되며, 이 이득 값에 따라 두 정보의 중요도가 결정된다.
상태 갱신
업데이트 단계에서 실제 측정값을 사용하여 상태 예측을 갱신한다. 이때 칼만 이득을 사용하여 예측된 상태 벡터를 보정한다.
- 상태 갱신:
여기서: - \hat{\mathbf{x}}_k는 갱신된 상태 벡터이다. - \mathbf{z}_k - h(\hat{\mathbf{x}}_k^-)는 측정 잔차(또는 혁신)로, 실제 측정값 \mathbf{z}_k와 예측된 측정값 h(\hat{\mathbf{x}}_k^-) 간의 차이를 나타낸다.
칼만 필터는 이 잔차를 기반으로 예측된 상태를 조정하여 측정된 값에 더 가깝도록 상태 벡터를 보정한다. 칼만 이득 \mathbf{K}_k가 큰 경우에는 측정값이 예측값보다 더 큰 신뢰성을 가진다고 판단하고, 반대로 칼만 이득이 작은 경우에는 예측값이 측정값보다 더 신뢰할 수 있다고 간주된다.
- 오차 공분산 갱신:
여기서: - \mathbf{P}_k는 갱신된 오차 공분산 행렬이다. - \mathbf{I}는 항등행렬이다.
갱신된 오차 공분산 행렬 \mathbf{P}_k는 갱신된 상태 벡터의 불확실성을 나타낸다. 칼만 필터는 이 공분산을 최소화하도록 설계되어 있으며, 이는 추정된 상태가 측정값과 예측값 사이에서 최적화됨을 의미한다.
상태 추정의 결과
상태 추정 과정은 확장 칼만 필터에서 예측 및 업데이트를 반복하는 과정을 통해 이루어진다. 확장 칼만 필터는 비선형 시스템에서도 효과적으로 작동하며, 실제 측정값과 시스템의 동적 모델을 결합하여 최적의 상태 추정을 수행한다.
각 단계에서는 예측 및 업데이트를 통해 상태 벡터와 공분산이 지속적으로 갱신되며, 이러한 과정이 반복됨으로써 시간이 지남에 따라 상태 추정의 정확도가 향상된다. 특히 비선형 시스템에서는 상태 전이 및 측정 모델의 선형화가 중요한 역할을 하며, 야코비 행렬의 계산은 필터의 정확성과 성능에 큰 영향을 미친다.