数字孪生驱动的战场复杂电磁环境建模与仿真

本书面向武器装备试验鉴定领域的建模与仿真应用需求，针对数字孪生技术在战场复杂电磁环境建模与仿真中的应用问题，构建了数字孪生驱动的战场复杂电磁环境建模与仿真的方法体系，包括数字孪生战场结构设计、仿真系统抽象描述、战场射频环境建模、战场红外环境建模、战场环境数据同化、数字孪生战场仿真运行方法等，详细讲解了如何设计数字孪生驱动的战场复杂电磁环境仿真模型，以及如何开发、运行数字孪生战场电磁环境仿真模型，每部分内容都给出了相关领域的应用案例。本书从建模与仿真的角度出发，研究了数字孪生技术的实现方法问题，可供作战仿真、模拟训练、装备试验鉴定等方面的专业技术人员学习参考，也可作为军事仿真高年级本科生和研究生“军事建模与仿真”相关课程的教学或参考用书。

王鹏，毕业于国防科技大学，分别于2012年、2014年、2018年获得仿真工程专业学士、系统仿真专业硕士和博士学位，国防科技大学系统工程学院军事建模与仿真系副教授、青年学术骨干，兼任中国仿真学会专委会委员、中国自动化学会系统仿真专业委员会委员。主要从事装备试验、数字孪生、战场环境仿真等方面研究，2019年入选中国科协青年人才托举工程***人才计划。作为核心骨干成员，担任国家某科技协同创新重大示范工程主任设计师，先后参与科研项目十余项，并参与多个建模与仿真相关标准的制修订工作。近三年来以第一作者身份发表学术论文18篇，其中SCI论文4篇、EI论文7篇，获会议优秀论文奖3项。

目 录
第1章 基本概念 001
1．1 建模与仿真 001
1．1．1 基本定义 001
1．1．2 仿真分类 003
1．1．3 技术体系 007
1．1．4 仿真过程 009
1．1．5 军用仿真 011
1．2 战场电磁环境相关概念 017
1．2．1 战场环境 017
1．2．2 战场电磁环境 021
1．2．3 战场电磁环境构设 024
1．3 装备试验 026
1．3．1 基本概念 026
1．3．2 极限边界条件 033
1．3．3 性能试验 034
1．3．4 作战试验 035
1．3．5 外军装备试验 042
1．3．6 仿真与装备试验 045
1．3．7 靶场数字化 048
1．3．8 发展历程与趋势 050
1．4 数字孪生 055
1．4．1 基本内涵 055
1．4．2 概念辨析 056
1．4．3 典型特征 059
1．4．4 技术需求 060
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第2章 数字孪生战场 063
2．1 需求分析 063
2．1．1 发展现状 063
2．1．2 技术问题 065
2．1．3 应用需求 066
2．2 功能定位 068
2．2．1 主要功能 069
2．2．2 应用前景 070
2．2．3 应用目标 071
2．2．4 体系结构 072
2．3 孪生驱动试验 075
2．3．1 基本概念 075
2．3．2 主要内容 076
2．3．3 基本原理 077
2．3．4 对比分析 078
2．3．5 方法分类 079
2．4 运行模式 080
2．4．1 云边协同运行 080
2．4．2 虚实结合运行 083
2．4．3 一体化运行管控 086
2．5 公共基础环境 090
2．5．1 环境构设需求 090
2．5．2 大气仿真服务 093
2．5．3 空间仿真服务 096
2．5．4 地形仿真服务 097
第3章 仿真系统设计 105
3．1 基本组成要素 105
3．1．1 战场环境模型 105
3．1．2 测量模型 106
3．1．3 测量数据 106
3．1．4 仿真状态 107
3．1．5 状态转移PDF 107
3．1．6 相似性PDF 107
3．2 信息交互描述 108
3．2．1 状态信息 108
3．2．2 行为信息 108
3．2．3 控制信息 109
3．3 仿真系统描述 109
3．3．1 战场环境模型集 110
3．3．2 真实战场状态参数 111
3．3．3 真实战场控制参数 111
3．3．4 外部因素参数 111
3．3．5 输入/输出关系 112
3．4 软件组成要素 112
3．4．1 组件化建模方法 113
3．4．2 传感器接口组件 114
3．4．3 调度组件 115
3．4．4 仿真剧情管理组件 115
3．4．5 仿真运行组件 118
3．4．6 仿真分析组件 118
3．4．7 数据同化组件 119
3．4．8 行动管理组件 119
3．4．9 执行器接口组件 120
3．5 仿真系统分类 120
3．5．1 分类方法 120
3．5．2 决策支持 122
3．5．3 预测分析 124
3．5．4 模型校正 125
3．5．5 异常检测 128
3．5．6 状态识别 128
3．6 动态触发与初始化 130
3．6．1 动态触发 130
3．6．2 动态初始化 133
第4章 射频环境建模 136
4．1 分类与计算 137
4．1．1 射频仿真分类 137
4．1．2 仿真计算方法 137
4．2 射频信号建模 138
4．2．1 建模需求 138
4．2．2 模型结构 138
4．3 目标截面积建模 143
4．4 信号传播代理 144
4．4．1 功能需求 144
4．4．2 交互过程 145
4．4．3 模型实现 147
4．5 射频效应建模 152
4．5．1 效应类型 152
4．5．2 建模方法 153
4．5．3 极化建模 156
4．5．4 大气吸收损耗效应建模 158
4．5．5 大气折射效应建模 161
4．5．6 杂波效应建模 163
4．5．7 多路径与衍射效应建模 170
4．6 通用电子干扰模型 182
4．6．1 基本原理 183
4．6．2 模型组成 186
4．6．3 干扰模式 200
4．6．4 典型干扰手段建模 201
第5章 红外环境建模 206
5．1 模型构成 206
5．1．1 红外探测器模型 207
5．1．2 发射器/反射器模型 208
5．1．3 光电/红外环境模型 208
5．2 辐射源建模 209
5．2．1 可见光/相机成像 211
5．2．2 微光成像 212
5．3 多频谱目标特性建模 214
5．3．1 几何特性建模 215
5．3．2 温度特性建模 215
5．3．3 反射特性建模 216
5．3．4 辐射特性建模 218
5．4 靶场背景环境建模 219
5．4．1 地面背景 219
5．4．2 天空背景 220
5．5 大气辐射传输模型 222
5．5．1 大气吸收 223
5．5．2 大气散射 225
5．5．3 大气湍流 226
5．5．4 计算流程 227
5．5．5 计算模型 229
5．6 场景合成 238
5．6．1 计算流程 238
5．6．2 基本原理 240
5．6．3 图像合成 241
第6章 战场环境数据同化 244
6．1 仿真的不确定性 244
6．1．1 不确定性的内涵 244
6．1．2 不确定性的传递 245
6．1．3 不确定性的来源 246
6．2 数据同化概述 246
6．2．1 数据同化的定义 246
6．2．2 数据同化的用途 246
6．2．3 数据同化的目标 247
6．2．4 数据同化的意义 247
6．2．5 主要算法 247
6．3 随机有限集 250
6．3．1 基本概念 250
6．3．2 概率假设密度 251
6．3．3 优越性分析 251
6．4 基于随机有限集的数据同化 254
6．4．1 基于RFS的测量模型 255
6．4．2 基于RFS的仿真模型 258
6．4．3 数据同化的基本原理 260
6．5 数据同化的数值计算 264
6．5．1 现有计算方法分析 264
6．5．2 基于高斯混合的计算方法 265
6．5．3 在线数据驱动的计算方法 274
6．6 应用案例一：雷达模型在线校正 280
6．6．1 公式推导 281
6．6．2 PDF生成 283
6．6．3 实验验证 286
6．6．4 实验结果 288
6．7 应用案例二：战场地形在线学习 290
6．7．1 相关模型 290
6．7．2 学习算法 292
6．7．3 实验验证 295
第7章 仿真系统运行 298
7．1 仿真互操作 299
7．1．1 概念内涵 299
7．1．2 形式化描述 302
7．1．3 实现途径 306
7．2 仿真中间件 309
7．2．1 基本概念 309
7．2．2 分类方法 311
7．2．3 基本特征 312
7．2．4 接入方式 313
7．3 仿真标准 316
7．3．1 DIS 316
7．3．2 HLA 319
7．3．3 TENA 325
7．3．4 对比分析 336
7．4 通信基础 339
7．4．1 通信需求 341
7．4．2 通信模式 342
7．4．3 分布式数据分发服务 344
7．4．4 通用黑板机制 353
7．4．5 其他通信机制 357
7．5 高效并行仿真 358
7．5．1 典型模式 359
7．5．2 基本原理 360
7．5．3 典型工具 363
7．5．4 核心算法 365
7．6 异构集成网关 367
7．6．1 功能组成 368
7．6．2 设计开发 369
7．6．3 运行流程 371
7．6．4 实装集成 372
7．7 时间管理 373
7．7．1 时间定义 373
7．7．2 应用需求 374
7．7．3 解决方案 374
7．7．4 内同步 377
7．7．5 外同步 382
7．8 系统设计估算 389
7．8．1 估算情景一 389
7．8．2 估算情景二 392
7．8．3 估算情景三 395
7．8．4 网络需求估算 397
7．8．5 硬件总体分析 399
7．8．6 估算的偏差分析 400
7．9 仿真系统QoS 401
7．9．1 QoS策略的确定方法 401
7．9．2 仿真系统QoS的原理 403
7．10 系统实现 408
7．10．1 不同网络架构的对比 409
7．10．2 战场环境仿真系统架构 409
7．10．3 系统组成 411
7．10．4 系统运行流程 411
参考文献 413