题目：面向大范围电磁环境的高性能仿真关键技术研究

在现代战场仿真中，仿真已经从弱化或忽略环境因素而仅关注被仿真对象本身，向考虑如大气、地形、海洋、电磁环境因素对整个仿真系统的影响方面发展，以提高整个系统仿真可信度和可靠性。继大气、地形等环境因素之后，电磁环境已经成为战场环境仿真中不可缺少的重要组成部分和武器设备性能评估最核心的影响因素，电磁环境建模和仿真也日益成为研究热点。

在复杂的战场环境中，电磁环境本身的建模就需要考虑复杂自然环境如不规则地形，大气，植被等的影响，因此，电磁环境建模仿真的理论与技术比起纯自然环境仿真更复杂，更具挑战性。电磁环境仿真主要难点在于选择和设计合适的电磁传播模型，并对复杂环境自身进行建模，对大范围电磁环境仿真而言，计算机的内存需求、计算量与数据量均属海量级别，因此对电磁计算模型、求解算法效率和并行计算环境有着相当高的要求。

本文在全面分析、深入研究各种电磁传播模型和高性能计算技术的基础上，针对大范围战场电磁环境高性能仿真需求，对大范围二维和三维电磁环境仿真模型建模及其高性能求解算法、电磁环境海量数据存储与处理等关键技术进行了深入研究。本文的主要工作包括：

1. 建立了适合大范围仿真的二维和三维电磁环境仿真模型。从麦克斯韦方程和波动方程出发，针对大范围电磁环境仿真特点，推导出二维和三维抛物方程的近似形式，建立了可以同时处理不规则地形和复杂大气结构的2DPE和3DPE电磁仿真模型。并对不规则地形、复杂大气等复杂环境进行了建模，为后续进行电磁环境高性能计算与仿真提供理论模型基础。

2. 提出了并实现了二维和三维电磁环境抛物方程的AGE-2DPE、AGE-3DPE高性能计算方法。古典显示格式具有理想的并行性，但它是条件稳定的，古典隐式和Crank-Nicolson格式有限差分方法是绝对稳定的，但要求解三对角或五对角线性方程组，该方程组维数随着仿真区域的范围增大而增大，且在方程组维数非常高的时候，较难在并行计算机上求解。AGE方法不但保证了数值计算的稳定性，而且有很好的并行性质，每个步进上的所有计算节点仅需求解若干个二维或四维线性方程组。在计算下一个步进时，相邻节点之间仅需交换节点计算边界相邻两点（AGE-2DPE）或两列（AGE-3DPE）的数据，可有效减少节点通信量，提高计算的并行度和计算效率。

3. 提出了利用云计算平台对电磁环境结构和非结构化海量数据的存储与读取方法。大范围三维电磁环境仿真中，电磁环境数据随着仿真范围的增大，呈指数增加，需要存储和处理的数据包括复杂地形上的各类数据、复杂大气数据、电磁数据等结构和非结构化数据，设计了Hadoop分布式框架与关系型数据库协同工作的电磁环境海量数据存储和处理系统，较好的解决了电磁环境仿真中海量数据的存储和管理架构问题。

4. 设计完成了电磁环境仿真软件系统原型，通过在北京航空航天大学星空高性能计算集群上验证，并与电磁抛物方程的SSPE求解方法的结果对比证明本文的AGE-2DPE和AGE-3DPE算法是有效的，且比采用CN方法求解PE方程有较高的加速比和计算效率。