This work introduces a method to select linear functional measurements of a vector-valued time series optimized for forecasting distant time-horizons. By formulating and solving the problem of sequential linear measurement design as an infinite-horizon problem with the time-averaged trace of the Cram\'{e}r-Rao lower bound (CRLB) for forecasting as the cost, the most informative data can be collected irrespective of the eventual forecasting algorithm. By introducing theoretical results regarding measurements under additive noise from natural exponential families, we construct an equivalent problem from which a local dimensionality reduction can be derived. This alternative formulation is based on the future collapse of dimensionality inherent in the limiting behavior of many differential equations and can be directly observed in the low-rank structure of the CRLB for forecasting. Implementations of both an approximate dynamic programming formulation and the proposed alternative are illustrated using an extended Kalman filter for state estimation, with results on simulated systems with limit cycles and chaotic behavior demonstrating a linear improvement in the CRLB as a function of the number of collapsing dimensions of the system.


翻译:本文介绍了一种选择向量值时间序列的线性测量的方法,用于优化远期时间跨度的预测。通过将序列线性测量设计问题建模和求解为一个无限期问题,并以预测的时间平均Cram\'{e}r-Rao下限的迹作为成本,可以收集最有信息的数据,而不考虑最终的预测算法。通过介绍有关自然指数族中加性噪声的测量理论结果,我们构建了一个等价问题,可以导出局部降维。这种替代的公式是基于许多微分方程的极限行为中固有的未来维度崩塌,可以直接在预测CRLB的低秩结构中观察到。使用扩展卡尔曼滤波器进行状态估计的近似动态规划公式和所提出的替代方案的实现,以模拟系统为例,在具有极限循环和混沌行为的情况下,证明了预测CRLB随系统崩塌维数的线性改进。

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