综合自然环境建模与仿真是现代国防和军事领域建模与仿真的必然需求,也是获得和提高互操作性、可重用性和可信性的关键,已经成为现代先进建模与仿真的一项公共支撑技术和关键核心技术。论文以综合自然环境建模与仿真为主题,以互操作性、可重用性和可信性为主旨,以数据、模型和仿真为主线,重点研究了综合自然环境建模与仿真中的互操作性、一致性、动态性、分布性、可信性和可重用性。 论文首先从认识论和方法论的角度建立了综合自然环境的概念参考模型和技术参考框架,为综合自然环境建模与仿真的原理与方法提供了高层概念视图和技术参考依据。而通过概念参考模型形式化描述,分析了数据和模型的一致性对互操作性的影响,指出提高互操作性的关键在于同时维护数据、模型和仿真的一致性。 环境数据模型是对综合自然环境数据具体内容、逻辑关系和约束条件的定义和描述,公共数据模型框架则是对环境数据模型进行标准定义和严格分析的重要基础和主要方法。论文采用JAVA设计和实现了具有标准逻辑数据模型和公共数据语义基础的公共数据模型框架,通过不同环境数据模型之间的互操作性分析,指出解决综合自然环境建模与仿真中互操作性的一个必要条件就是提高环境数据模型之间的互操作性。而为了解决计算机生成兵力仿真对高性能地形数据库的需求,论文采用C/C++设计实现了mslCTDB格式的地形数据库,测试结果则表明mslCTDB具有较高的存储效率和快速的运行性能,满足和适合于高性能的计算机生成兵力仿真。 综合自然环境数据的一致性是建模与仿真中互操作性的关键。论文提出和推导了基于形式化推理与谓词断言表达式的综合自然环境数据语法与语义一致性自动分析、检查和修复方法,可以保证综合自然环境数据的严格语法正确性和语义一致性,且语法一致性分析的时间复杂度为O(n),语义一致性分析则可以检查多种典型的语义错误。 模型的标准形式化描述有利于促进建模与仿真中的互操作性和可重用性。论文提出了标准通用的模型形式化描述规范,证明了基于原子模型和耦合模型的可计算性定理,给出了典型综合自然环境模型的标准形式化描述。而对于多分辨率的数据和模型,论文给出了基于空间分割和小波变换的多分辨率地形表示,通过分析指出分辨率与一致性、逼真度或可信性之间没有必然联系。同时,提出了基于特征分类与抽象表示和层次聚合的多分辨率地形特征模型,给出了具有多分辨率的高斯烟雾模型及其一致性度量。 动态性是综合自然环境最本质和最显著的特性之一,而基于环境联邦的动态自然环境仿真关键技术则包括分布方式、数据通信协议、状态一致性和时序正确性、动态性和时间推进及数据分发技术等。论文设计了全新的动态自然环境协议,分析了保守和乐观的不同时间推进方式,提出了四种不同的数据分发方式。通过仿真运行,证明采用动态自然环境协议、乐观时间推进和HLA/DDM的环境联邦可以满足动态自然环境仿真的功能需要,能保证仿真的状态一致性和时序正确性,同时具有较高的仿真运行性能。