我国研制全球电离层模型应用平台 有助研究电离层变化规律

电离层是地球大气的一个电离区域。电离层受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

近日，国家无线电监测中心下属北京东方波泰无线电频谱技术研究所研发了全球电离层模型应用平台。该平台引接国内多个高精度空地一体电离层同化数据源，综合运用数字孪生技术和计算电磁学方法，克服了计算精度和时空复杂度的矛盾，实现了各型短波天线快速仿真、电离层电波传播机理分析、短波用频短期和中长期预报、高频信号覆盖态势推演和电离图合成等功能。同时，平台基于GIS，采用三维云渲染和全方位多角度三维可视化技术，为用户提供了良好交互体验。

平台的成功研制，将有助于研究和展示电离层变化规律，支撑短时微弱信号监测定位、短波用频窗口预测、船岸高可靠通信、无线系统超视距传输盲区估计及干扰规避等工作，同时也可为其它系统应用提供电离层数据共享服务。

三维可视化技术是用于显示描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具，广泛应用于地质和地球物理学的所有领域。三维可视是描绘和理解模型的一种手段，是数据体的一种表征形式，并非模拟技术。它能够利用大量数据，检查资料的连续性，辨认资料真伪，发现和提出有用异常，为分析、理解及重复数据提供了有用工具，对多学科的交流协作起到桥梁作用。

三维可视化是根据数据体的透明度属性,假定地下界面的反射率是地下界面的原始、真正的三维模型，本质上讲，它是由三维空间中的构造、地层及振幅属性综合组成的。无论是做三维区域分析，还是做特定前景目标评价(包括流体界面识别)，都可以通过这种‘进去看’的方式来快速完成。在基于三维象素的立体可视化中，每个数据样点都被转换成为一个三维象素(其大小近似面元间距和采样间隔的三维象素)。每一个三维象素具有与原三维数据母体相对应的数值，一个三色(红、绿、蓝)值以及一个暗度变量，该变量用来调整数据体的透明度。这样，每一个地震道被转换成为一个三维象素柱。

云渲染的模式与常规的云计算类似，即将3D程序放在远程的服务器中渲染，用户终端通过Web软件或者直接在本地的3D程序中点击一个“云渲染”按钮并借助高速互联网接入访问资源，指令从用户终端中发出，服务器根据指令执行对应的渲染任务，而渲染结果画面则被传送回用户终端中加以显示。将应用程序从本机搬到网络，由超级计算机集群负责运行，用户终端只需要通过Web就能访问到所需的应用——这便是“云计算”的概念。而普遍认为，适合云计算的应用主要为Office办公软件、电子邮件、即时通讯、多媒体播放等，但AMD在CES上提出了新的构想：“云渲染”，即把繁重的3D渲染也搬至互联网上。这一构想提出之后，立刻引起外界的瞩目。

地理信息系统(简称GIS)有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。

随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”，近年来，也有称GIS为"地理信息服务"。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。

最 早，数字孪生思想由密歇根大学的 Michael Grieves 命名为“信息镜像模型”，而后演变为“数字孪生”的术语。数字孪生也被称为数字双胞胎和数字化映射。数字孪生是在 MBD 基础上深入发展起来的，企业在实施基于模型的系统工程(MBSE)的过程中产生了大量的物理的、数学的模型，这些模型为数字孪生的发展奠定了基础。

2012 年 NASA 给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。为了便于数字孪生的理解，庄存波等提出了数字孪生体的概念，认为数字孪生是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。数字孪生体是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。数字孪生是技术、过程、方法，数字孪体是对象、模型和数据。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。目前在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

数字孪生，有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线，在没有建造之前，就完成数字化模型。从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设。而工房和产线建成之后，在日常的运维中二者继续进行信息交互。值得注意的是：Digital Twin不是构型管理的工具，不是制成品的3D尺寸模型，不是制成品的MBD定义。 [1]

对于Digital Twin的极端需求，同时也将驱动着新材料开发，而所有可能影响到装备工作状态的异常，将被明确地进行考察、评估和监控。Digital Twin正是从内嵌的综合健康管理系统(IVHM)集成了传感器数据、历史维护数据，以及通过挖掘而产生的相关派生数据。通过对以上数据的整合，Digital Twin可以持续地预测装备或系统的健康状况、剩余使用寿命以及任务执行成功的概率，也可以预见关键安全事件的系统响应。

通过与实体的系统响应进行对比，揭示装备研制中存在的未知问题。Digital Twin可能通过激活自愈的机制或者建议更改任务参数来减轻损害或进行系统的降级，从而提高寿命和任务执行成功的概率。

电子密度亦称电子射线密度。是指电子射线散射的物质密度。用透射型电镜观察材料时，则电子射线散射能力强的物质越密的地方观察越暗，这些部分一般称之为高电子密度。电子密度可以体现原子吸引带正电荷的离子或原子团的能力;定义：电子密度表示在原子或分子周围特定位置发现电子的概率。通常，在高电子密度的区域中更容易发现电子。具有较低电子密度的原子或基团意味着分子结构的某些方面正在将负电荷移开。

新闻来源：国家无线电监测中心