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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。

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

前  言
以电子信息技术为特征的武器装备正在迅猛发展，在此基础上，传统的战场环境迎来了前所未有的变化。在实际作战应用过程中，武器装备的作战效能往往会受到复杂战场环境的影响而降低，因此，在装备试验过程中需要对这种现象进行合理评估。电磁环境作为战场环境的重要组成部分，其效应深刻影响着信息化武器装备作战效能的发挥和战术、战法的选择。电磁环境构设与运用水平是装备试验的关键因素，为确保被试装备能够在贴近实战的环境下进行试验评估，需要通过使用科学的战场电磁环境构设方法，为新型信息化武器装备提供具有较高电磁逼真度的试验条件。
目前，武器装备在战场电磁环境中的试验评估方法主要依靠外场试验，即将武器装备放置在真实的战场环境之中，通过采集到的真实数据来评估电磁环境对装备的影响效应。这种方式更贴近实战，得到的结果可信度高，但是相应的成本高、周期长、不可重复，复杂度和参数也不易改变，检测结果具有较大的偶然性，并且得到的数据样本数量十分有限。该类方法还容易受到天气和地理因素的影响，有时需要等待满足试验条件的特定天气环境的出现。此外，这种方法难以保证多样化的战场环境，无法模拟敌方的作战频谱和作战特点，灵活度低，协调使用难度大，难以实现在边界、极限、复杂条件下的武器装备试验评估。
虚拟仿真试验作为实装试验的重要补充，通过虚拟仿真模型代替真实的武器系统或环境，能够有效克服试验条件和试验环境所带来的困难，具有高效、低风险的特点。
武器装备试验评估中战场环境建模时空范围大且动态变化，对分辨率、精度、运行性能、动态性等要求较高，需要建立典型状态或极端条件下的地形、射频、红外等环境要素的状态模型、效应模型和军事作用模型。
现有装备试验鉴定方法存在对于环境影响问题的处理过于简化或根本不考虑环境因素及其影响，缺乏环境对装备和作战影响的量化分析和机理研究，不能客观且有效地反映环境变化过程及其影响效应等基础应用问题，只能满足单纯的性能达标测试，无法满足武器装备的作战效能和作战适用性考核。
数字孪生技术是仿真应用的新巅峰，极大地推进了仿真技术的发展，代表了最新的仿真技术发展方向。数字孪生技术在战场复杂电磁环境建模与仿真中的成功应用，将为解决武器装备试验鉴定领域中的环境影响效应评估等问题提供了新途径。
本书是作者近十年来研究成果的总结和提炼，得到了第五届中国科协青年人才托举工程、国家自然科学基金（62103425）、湖南省自然科学基金、国防科技大学高层次创新人才培养计划，以及国家科技协同创新重大示范工程等科研项目的资助和支持。本书面向作战试验的实际应用需求，介绍了数字孪生驱动的战场复杂电磁环境建模与仿真方法体系，重点解决了支持装备试验评估的复杂战场电磁环境全要素虚拟化重建方法、符合数字孪生思想的战场电磁环境虚实之间双向协同互操作方法、复杂战场电磁环境中不同组成要素的相互作用和影响效应建模方法等关键技术问题。
本书共7章，第1章讨论了建模与仿真、装备试验、数字孪生等基本概念；第2章介绍了数字孪生战场的体系结构等相关内容；第3章给出了战场电磁环境仿真系统的抽象描述和系统设计方法；第4章和第5章分别给出了战场射频环境和红外环境的离散事件建模方法；第6章给出了支持实时融合战场数据的数据同化技术及其应用案例；第7章介绍了复杂电磁环境仿真系统的集成适配和分布式协同运行的若干关键技术。
国防科技大学黄柯棣教授、刘忠教授和李革教授对本书进行了审阅并提出了许多宝贵的修改建议，在此表示衷心的感谢。
此外，感谢我的母亲梁立平、妻子刘东玲和女儿王芯蕊在工作和生活中给予我的支持和鼓励，你们的爱是我不断努力奋斗的动力，祝你们永远健康快乐。感恩我的父亲王振江对我的教育培养，没有他的辛勤付出就没有现在我所取得的一切，愿他在天堂一切安好。
由于作者水平有限，书中疏漏和不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

作  者  
2022年10月

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