International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.6
no.2
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pp.204-213
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2008
In this paper, we present the practical application of an Unscented Kalman Filter (UKF) for an Indoor Mobile Localization System using ultrasonic sensors. It is true that many kinds of localization techniques have been researched for several years in order to contribute to the realization of a ubiquitous system; particularly, such a ubiquitous system needs a high degree of accuracy to be practical and efficient. Unfortunately, a number of localization systems for indoor space do not have sufficient accuracy to establish any special task such as precise position control of a moving target even though they require comparatively high developmental cost. Therefore, we developed an Indoor Mobile Localization System having high localization performance; specifically, the Unscented Kalman Filter is applied for improving the localization accuracy. In addition, we also present the additive filter named 'Pre-filtering' to compensate the performance of the estimation algorithm. Pre-filtering has been developed to overcome negative effects from unexpected external noise so that localization through the Unscented Kalman Filter has come to be stable. Moreover, we tried to demonstrate the performance comparison of the Unscented Kalman Filter and another estimation algorithm, such as the Unscented Particle Filter (UPF), through simulation for our system.
Strapdown inertial navigation system (SINS) integrated with astronavigation system (ANS) yields reliable mission capability and enhanced navigational accuracy for spacecrafts. The theory and characteristics of integrated system based on unscented Kalman filtering is investigated in this paper. This Kalman filter structure uses unscented transform to approximate the result of applying a specified nonlinear transformation to a given mean and covariance estimate. The filter implementation subsumed here is in a direct feedback mode. Axes misalignment angles of the SINS are observation to the filter. A simple approach for simulation of axes misalignment using stars observation is presented. The SINS error model required for the filtering algorithm is derived in space-stabilized mechanization. Simulation results of the integrated navigation system using a medium accuracy SINS demonstrates the validity of this method on improving the navigation system accuracy with the estimation and compensation for gyros drift, and the position and velocity errors that occur due to the axes misalignments.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.4
no.6
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pp.736-747
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2006
Simultaneous Localization and Map Building(SLAM) is one of the fundamental problems in robot navigation. The Extended Kalman Filter(EKF), which is widely adopted in SLAM approaches, requires extensive computation. The conventional particle filter also needs intense computation to cover a high dimensional state space with particles. This paper proposes an efficient SLAM method based on the recursive unscented Kalman filtering in an environment including a large number of landmarks. The posterior probability distributions of the robot pose and the landmark locations are represented by their marginal Gaussian probability distributions. In particular, the posterior probability distribution of the robot pose is calculated recursively. Each landmark location is updated with the recursively updated robot pose. The proposed method reduces filtering dimensions and computational complexity significantly, and has produced very encouraging results for navigation experiments with noisy multiple simultaneous observations.
Kim, Jae-Hyuk;Park, Sang-Young;Kim, Young-Rok;Park, Eun-Seo;Jo, Jung-Hyun;Lim, Hyung-Chul;Park, Jang-Hyun;Park, Jong-Uk
Journal of Astronomy and Space Sciences
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v.28
no.3
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pp.183-192
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2011
The current study analyzes the effects of the scaling parameters of the batch unscented transformation on precision satellite orbit determination. Satellite laser ranging (SLR) data are used in the orbit determination algorithm, which consists of dynamics model, observation model and filtering algorithm composed of the batch unscented transformation. TOPEX/Poseidon SLR data are used by utilizing the normal point (NP) data observed from ground station. The filtering algorithm includes a repeated series of processes to determine the appropriate scaling parameters for the batch unscented transformation. To determine appropriate scaling parameters, general ranges of the scaling parameters of ${\alpha}$, ${\beta}$, k, $\lambda$ are established. Depending on the range settings, each parameter was assigned to the filtering algorithm at regular intervals. Appropriate scaling parameters are determined for observation data obtained from several observatories, by analyzing the relationship between tuning properties of the scaling parameters and estimated orbit precision. The orbit determination of satellite using the batch unscented transformation can achieve levels of accuracy within several tens of cm with the appropriate scaling parameters. The analyses in the present study give insights into the roles of scaling parameters in the batch unscented transformation method.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.17
no.1
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pp.96-107
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2014
Tracking the tactical object is a fundamental affair in network-equipped modern warfare. Geodetic coordinate system based on longitude, latitude, and height is suitable to represent the location of tactical objects considering multi platform data fusion. The motion of tactical object described as a dynamic model requires an appropriate filtering to overcome the system and measurement noise in acquiring information from multiple sensors. This paper introduces the filter suitable for multi-sensor data fusion and tactical object tracking, particularly the unscented transform(UT) and its detail. The UT in Unscented Kalman Filter(UKF) uses a few samples to estimate nonlinear-propagated statistic parameters, and UT has better performance and complexity than the conventional linearization method. We show the effects of UT-based filtering via simulation considering practical tactical object tracking scenario.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.14
no.9
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pp.865-872
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2008
Spacecraft attitude estimation using the nonlinear unscented filter is addressed to fully utilize capabilities of the unscented transformation. To release significant computational load, an efficient technique is proposed by reasonably removing correlation between random variables. This modification introduces considerable reduction of sigma points and computational burden in matrix square-root calculation for most nonlinear systems. Unscented filter technique makes use of a set of sample points to predict mean and covariance. The general QUEST(QUaternion ESTimator) algorithm preserves explicitly the quaternion normalization, whereas extended Kalman filter(EKF) implicitly obeys the constraint. For spacecraft attitude estimation based on quaternion, an approach to computing quaternion means from sampled quaternions with guarantee of the quaternion norm constraint is introduced applying a constrained optimization technique. Finally, the performance of the new approach is demonstrated using a star tracker and rate-gyro measurements.
A new approach to the straightforward implementation of the unscented filter in a unit quaternion space is proposed for spacecraft attitude estimation. Since the unscented filter is formulated in a vector space and the unit quaternions do not belong to a vector space but lie on a nonlinear manifold, the weighted sum of quaternion samples does not produce a unit quaternion estimate. To overcome this difficulty, a method of weighted mean computation for quaternions is derived in rotational space, leading to a quaternion with unit norm. A quaternion multiplication is used for predicted covariance computation and quaternion update, which makes a quaternion in a filter lie in the unit quaternion space. Since the quaternion process noise increases the uncertainty in attitude orientation, modeling it either as the vector part of a quaternion or as a rotation vector is considered. Simulation results illustrate that the proposed approach successfully estimates spacecraft attitude for large initial errors and high tip-off rates, and modeling the quaternion process noise as a rotation vector is more optimal than handling it as the vector part of a quaternion.
The basic difference between the EKF(Extended Kalman Filter) and UKF(Unscented Kalman Filter) stems from the manner in which Gaussian random variables(GRV) are represented for propagating through system dynamics. In the EKF, the state distribution is approximated by a GRV, which is then propagated analytically through the first-order linearization of the nonlinear system. This can possibly introduce large errors in the true posterior mean and covariance of the transformed GRV, which may lead to sub-optimal performance and sometimes divergence of the filter. However, the UKF addresses this problem by using a deterministic sampling approach. The state distribution is also approximated by a GRV, but is now represented using a minimal set of carefully chosen sample points. These sample points completely capture the true mean and covariance of the GRV, and UKF captures the posterior mean and covariance accurately up to the 2nd order(Taylor series expansion) for any nonlinearity. This paper utilizes the UKF to determine spacecraft orbit when only magnetometer is available. Several catastrophic failures of spacecraft in orbit have been attributed to failures of the spacecraft mission. Recently studies on contingency-major sensor failure cases- have been performed. For mission success, contingency design or plan should be implemented in case of a major sensor failure. Therefore the algorithm presented in this paper can be used for a spacecraft without GPS or contingency design in case of GPS failure.
Pak, Jung Min;Ahn, Choon Ki;Lim, Myo Taeg;Song, Moon Kyou
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.21
no.11
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pp.1057-1063
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2015
This paper proposes a new nonlinear filtering algorithm that combines the unscented Kalman filter (UKF) and the finite impulse response (FIR) filter. The proposed filter is called the unscented Kalman/FIR hybrid filter (UKFHF). In the UKFHF algorithm, the UKF is used as the main filter, which produces state estimates under ideal conditions. When failures of the UKF are detected, the FIR filter is operated. Using the output of the FIR filter, the UKF is reset and rebooted. In this way, the UKFHF recovers from failures. The proposed UKFHF is applied to indoor human localization using wireless sensor networks. Through simulations, the performance of the UKFHF is demonstrated in comparison with that of the UKF.
A strategy for geostationary orbit (or geostationary earth orbit [GEO]) surveillance based on optical angular observations is presented in this study. For the dynamic model, precise analytical orbit model developed by Lee et al. (1997) is used to improve computation performance and the unscented Kalman filer (UKF) is applied as a real-time filtering method. The UKF is known to perform well under highly nonlinear conditions such as surveillance in this study. The strategy that combines the analytical orbit propagation model and the UKF is tested for various conditions like different level of initial error and different level of measurement noise. The dependencies on observation interval and number of ground station are also tested. The test results shows that the GEO orbit determination based on the UKF and the analytical orbit model can be applied to GEO orbit tracking and surveillance effectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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