2. 概率与估计基础
扩展卡尔曼滤波(EKF)本质上是一套在非线性系统中递推进行状态估计的概率方法。要真正理解 EKF 的预测步与更新步,必须先掌握它背后的概率语言:随机变量描述不确定量,高斯分布给出不确定性的形状,条件概率刻画“已知某些信息后”的推断,而贝叶斯估计、最小均方误差估计(MMSE)与最大后验估计(MAP)则回答“如何从观测反推状态”这一核心问题。本节把这些概念串成一条从概率到估计的完整链条。
一、随机变量与高斯分布:不确定性的数学载体
随机变量是把随机试验结果映射为数值的函数。在工程中,我们关心的状态(位置、速度、姿态、温度)和观测(传感器读数)都建模为随机变量。连续随机变量用概率密度函数(PDF)描述取值可能性,其积分给出概率。最重要的分布是高斯分布(正态分布),一维形式为:
p(x) = 1/(sqrt(2π)σ) · exp( -(x-μ)² / (2σ²) )
μ:均值,代表分布中心(最可能的取值趋势)
σ²:方差,代表不确定度(分布宽度)
σ:标准差,与 μ 同量纲,便于工程解读
多维高斯分布用均值向量 μ 和协方差矩阵 Σ 描述。协方差矩阵的对角线是各分量方差,非对角线刻画分量之间的相关性。EKF 中状态协方差矩阵 P 正是这一概念的直接应用:P 越大表示对当前状态越不确定,P 越小表示估计越可信。高斯分布之所以在滤波中占据中心地位,一是许多物理噪声近似高斯,二是高斯分布经过线性变换和条件化后仍是高斯,这保证了卡尔曼类滤波器可以只用均值和协方差递推,而无需保存完整 PDF。
二、条件概率与贝叶斯公式:从先验到后验
条件概率 P(A|B) 表示在事件 B 发生的前提下 A 发生的概率。贝叶斯公式把它反过来用:
P(A|B) = P(B|A) · P(A) / P(B)
P(A) :先验概率,观测前的信念
P(B|A) :似然,给定状态时观测出现的可能性
P(A|B) :后验概率,看到观测后更新的信念
P(B) :归一化因子(证据)
在连续状态下,概率变为概率密度,求和变为积分。贝叶斯估计的思想是:先有先验分布 p(x),再根据观测 z 通过似然 p(z|x) 得到后验 p(x|z)。EKF 的更新步正是这一过程在高斯假设下的解析实现——先验是预测分布 N(x̂⁻, P⁻),似然由观测模型和观测噪声给出,后验则是更新后的 N(x̂, P)。
三、MMSE 与 MAP:两种最优估计准则
有了后验分布,还需要一个准则把分布“压缩”成一个点估计。最常用的两个准则是:
- 最小均方误差估计(MMSE):选择使均方误差 E[(x - x̂)²] 最小的估计值。数学上,MMSE 估计等于后验均值 x̂ = E[x|z]。
- 最大后验估计(MAP):选择使后验概率密度最大的估计值,即 x̂ = argmax p(x|z),也就是后验分布的众数。
对于高斯后验,均值与众数重合,因此 MMSE 与 MAP 给出相同结果。这正是卡尔曼滤波“均值即最优估计”的根源。当后验非高斯时,两者才会分离:MMSE 偏向分布的质量中心,MAP 偏向概率密度峰值。理解这一点,有助于在 EKF 之外选择粒子滤波或其它非线性估计方法。
四、核心关系图解
下图把本节的关键概念组织成一条从“不确定性建模”到“最优估计输出”的推理链,并标出 EKF 预测步与更新步在其中的位置。
五、案例:一维位置估计中的贝叶斯更新
设目标真实位置 x,先验为 N(10, 4)(均值 10 m,方差 4 m²)。传感器观测 z = 12 m,观测噪声方差 R = 1 m²,观测模型为 z = x + v。在高斯假设下,后验均值和方差为:
先验:μ⁻ = 10, σ⁻² = 4
观测:z = 12, R = 1
卡尔曼增益:K = σ⁻² / (σ⁻² + R) = 4 / (4 + 1) = 0.8
后验均值:μ = μ⁻ + K·(z − μ⁻) = 10 + 0.8 × 2 = 11.6
后验方差:σ² = (1 − K)·σ⁻² = 0.2 × 4 = 0.8
可以看到,观测把估计从 10 拉向 12,但并未完全等于观测,因为先验也有信息量;同时方差从 4 降到 0.8,不确定度显著减小。这正是贝叶斯融合的直观体现:谁的方差小(更可信),谁的话语权就更大。
六、常见误区与复盘
| 误区 | 正确理解 |
|---|---|
| 把先验当成“可有可无的初始值” | 先验是贝叶斯推断的组成部分,先验方差大时观测主导,先验方差小时先验主导 |
| 认为 MMSE 与 MAP 永远相同 | 仅在高斯后验下等价;非高斯后验时二者结果不同 |
| 把协方差矩阵 P 只当作“误差数字” | P 同时编码不确定度与变量间相关性,是滤波融合的核心权重 |
| 忽略观测噪声 R 的标定 | R 决定观测可信度,R 偏小会导致滤波器过度相信噪声观测 |
| 认为贝叶斯公式只是“算概率” | 它是 EKF 更新步的数学骨架,后验 ∝ 似然 × 先验 |
小结:随机变量与高斯分布提供了不确定性的描述语言;条件概率与贝叶斯公式给出了从先验到后验的推理机制;MMSE 与 MAP 则定义了从后验分布提取点估计的准则。EKF 的预测步与更新步,正是这套概率估计理论在非线性系统中的递推实现。掌握本节内容,是理解卡尔曼增益、协方差传播与滤波稳定性的必要前提。