This paper investigates the consistency problem of EKF-based cooperative localization (CL) from the perspective of Kalman decomposition, which decomposes the observable and unobservable states and allows treating them individually. The factors causing the dimension reduction of the unobservable subspace, termed error discrepancy items, are explicitly isolated and identified in the state propagation and measurement Jacobians for the first time. We prove that the error discrepancy items lead to the global orientation being erroneously observable, which in turn causes the state estimation to be inconsistent. A CL algorithm, called Kalman decomposition-based EKF (KD-EKF), is proposed to improve consistency. The key idea is to perform state estimation using the Kalman observable canonical form in the transformed coordinates. By annihilating the error discrepancy items, proper observability properties are guaranteed. More importantly, the modified state propagation and measurement Jacobians are exactly equivalent to linearizing the nonlinear CL system at current best state estimates. Consequently, the inconsistency caused by the erroneous dimension reduction of the unobservable subspace is completely eliminated. The KD-EKF CL algorithm has been extensively verified in both Monte Carlo simulations and real-world experiments and shown to achieve better performance than state-of-the-art algorithms in terms of accuracy and consistency.


翻译:本文从Kalman分解的角度调查以EKF为基础的合作本地化(CL)的一致性问题,Kalman分解了可观测和不可观察状态,并允许对之进行个别处理。导致不可观测子空间的尺寸缩小的因素,称为差错差异项目,首次在州传播和测量Jacobians中被明确孤立和确定。我们证明,错误差异项目导致全球取向被错误地观察,这反过来又导致国家估计不一致。因此,提出了名为Kalman分解基础EKF(KD-EKF)的CL算法,以增进一致性。关键思想是利用变换坐标中的Kalman可观测可观测形式进行国家估计。通过校准错误差异项目,适当易懂性属性得到保障。更重要的是,修改后的状态传播和测量项目完全相当于目前最佳国家估计的非线性CL系统的线性。因此,由不可观测的子空间的错误尺寸缩减造成的不一致现象被完全消除。KD-EK-EKF-CL的精确性实验和在现实水平上都得到了更好的核查。

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