本文作者:天疆说
本站地址:https://cislunarspace.cn
高斯过程回归(Gaussian Process Regression, GPR)是一种基于贝叶斯框架的非参数机器学习方法,通过假设函数值服从高斯过程来推断未知点的函数值及其不确定性。GPR 能够提供预测均值和置信区间,特别适合小样本、高维度、需要不确定性估计的场景。
函数 f(x) 服从高斯过程:
f(x)∼GP(m(x),k(x,x′))
其中 m(x) 为均值函数,k(x,x′) 为协方差函数(核函数)。
kRBF(x,x′)=σf2exp(−2l2∣∣x−x′∣∣2)
| 参数 | 含义 |
|---|
| σf2 | 信号方差 |
| l | 长度尺度 |
kMatern(x,x′)=σf2Γ(ν)21−ν(l2ν∣∣x−x′∣∣)νKν(l2ν∣∣x−x′∣∣)
常用 ν=3/2 或 ν=5/2。
D={(xi,yi)}i=1N
对于新输入 x∗:
f∗∣x∗,D∼N(μ(x∗),σ2(x∗))
μ(x∗)=k∗TKy−1y
σ2(x∗)=k(x∗,x∗)−k∗TKy−1k∗
logp(y∣X)=−21yTKy−1y−21log∣Ky∣−2Nlog(2π)
| 方法 | 特点 |
|---|
| 梯度下降 | 快速收敛 |
| 坐标下降 | 稳定 |
| 全局优化 | 避免局部最优 |
| 特征 | 描述 |
|---|
| 时间 t | 采样时刻 |
| 高度 h | 高度层 |
| 纬度 ϕ | 地理位置 |
| 历史风速 vt−k | 滞后特征 |
vt+1=f(t,h,ϕ,vt,vt−1,...)
GPR 提供 95% 置信区间:
[μ−1.96σ,μ+1.96σ]
这对控制系统的安全决策至关重要。
| 优势 | 说明 |
|---|
| 小样本学习 | N 可很小(10-100) |
| 不确定性量化 | 自动提供预测方差 |
| 可解释性 | 核函数可视化 |
| 非参数 | 无需显式函数形式 |
- Rasmussen C E, Williams C K I. Gaussian Processes for Machine Learning[M]. MIT Press, 2006.
- Wang H, et al. GPR-based Wind Speed Prediction for Airship Station-keeping[J]. IEEE Transactions on Aerospace Systems, 2025.