丛书序

航空工业被誉为 ;现代工业之花、制造业的皇冠。航空工业的发展是我国构筑空天安全屏障、支撑科技强国战略的核心基石，其技术突破直接关乎国防安全与经济命脉自主可控。航空飞行器的智能化发展，始终以精准、极致、可靠、自主为核心追求。制导、导航与控制（Guidance, Navigation and Control, GNC）技术作为飞行器的 ;大脑 与 ;神经，兼具理论的深邃性与工程的实践性，其发展水平直接决定了飞行器的任务能力和安全边界。随着大飞机、高超声速飞行器、无人自主集群、平台智能对抗、;人工智能 十、低空经济等航空新形态的快速进步，我们在航空制导、导航与控制领域实现了从 ;跟跑 到 ;并跑，部分方向 ;领跑 的跨越式发展，但制导、导航与控制系统和技术依然面临前所未有的复杂环境、极端工况与严峻挑战。

为系统总结我国在航空制导、导航与控制领域的基础理论重大突破、关键技术创新进展和重大工程实践经验，推动该领域自主创新能力的持续提升，在中国航空学会和国防工业出版社的大力支持下，我们依托中国航空学会制导、导航与控制分会，组织国内高等院校、科研院所、工业部门、应用单位等优势科研力量，共同编纂出版了《先进航空制导、导航与控制丛书》，既是对我国现有相关理论和技术的系统总结，也是对未来技术发展的前瞻引领。本丛书紧扣 ;先进 定位，聚焦国际学术前沿与国家重大需求，力图构建覆盖理论、技术与应用的完整知识体系，推动航空制导、导航与控制技术的自主创新与工程转化。

参与本丛书编著的作者团队，是躬耕于制导、导航与控制理论和技术第一线的优秀科技工作者，既有来自制导、导航与控制领域的国家级科技创新领军人才，也有默默无闻奋战在制导、导航与控制工程领域的所长 / 院长、总师，还有更多新成长起来的青年科技才俊，他们长期奋战在 GNC 科研前沿阵地，形成了丰厚的创新研究积累。

本丛书共 24 分册，丛书的特点是工程导向、问题驱动、聚焦前沿、交叉融合、突出创新、系统性强。丛书作者从飞行器特别是先进航空器的特点出发，在制导、导航与控制相关的体系设计、建模分析、机载作动、飞行控制、感知规划、协同定位、导航制导、容错辨识、数字孪生、智能自主等多方面，结合典型航空器的工程实践，对设计理论和先进方法、关键技术及实验验证等内容，进行了全面、系统、深入的阐述，搭建起 ;创新理论指导工程实践，工程实践反哺新质理论 的桥梁。

我们坚信，《先进航空制导、导航与控制丛书》的出版，必将成为我们国家制导、导航与控制领域一部经典科技典籍，既可为深耕一线的广大科研工作者提供技术攻关参考，也可作为相关学科领域的青年学子打开探索空天制导、导航与控制奥秘的窗口，引导更多优秀人才扎根空天，勇攀制导、导航与控制高峰。

空天无垠，逐梦不止；GNC 砺剑，笃行不怠。制导、导航与控制理论和技术的探索之路必将永无止境，本丛书的出版必将为总结积累我国科技工作者的最新理论和工程经验，推动我国航空制导、导航与控制领域 ;稳;准;快 发展和建设空天强国提供有力的新质技术支持，助力我国空天事业迈向更加广阔、更加辽远、更加深邃的星辰大海。

作者

2025 年 10 月

近年，数字孪生在学术界和产业界迅速发展，逐渐成为数字化转型、发展新质生产力的重要途径。数字孪生旨在构建与物理实体高度一致的数字模型，并通过双向闭环交互实现全生命周期的数实同步以及全要素、全过程的行为决策、控制和优化。本书全面回顾和总结了数字孪生的发展历程，详细阐述了孪生数据生成方法和孪生建模使能技术，并聚焦物理空间与虚拟空间之间的交互赋能机制，给出了 ;虚实一致 与 ;以虚赋实 的理论架构及典型方法，为数字孪生的实现和部署提供了技术指引。最后，对数字孪生相关技术的发展趋势以及未来行业应用进行了展望。

本书可供关注数字孪生的高等院校相关科研人员或行业人士阅读参考，也可作为自动化、智能科学与技术、控制科学与工程等专业本科生及研究生的教材或参考书。

目录

第 1 章 数字孪生基础

1.1 数字孪生概述

1.1.1 数字孪生的诞生

1.1.2 数字孪生的发展历程

1.1.3 数字孪生的定义演进

1.1.4 数字孪生的类型及特征

1.1.5 数字孪生技术的意义

1.1.6 数字孪生的级别及判断标准

1.2 数字孪生与相近技术

1.2.1 数字孪生与传统仿真

1.2.2 数字孪生与数字模型

1.2.3 数字孪生与数字影子

1.2.4 数字孪生与数字主线

1.2.5 数字孪生与数字样机

1.2.6 数字孪生与信息物理系统

1.3 数字孪生建模总体概述

1.3.1 总体建模流程

1.3.2 建模使能技术概述

1.3.3 全生命周期建模过程

1.3.4 数字孪生模型应用及分析

1.4 本章小结

参考文献

第 2 章 数字孪生数据生成

2.1 孪生数据采集与传输

2.1.1 孪生数据来源

2.1.2 孪生数据属性及要求

2.1.3 孪生数据采集

2.1.4 孪生数据传输

2.2 数据预处理

2.2.1 数据预处理概述

2.2.2 数据清洗

2.2.3 数据集成

2.2.4 数据变换

2.2.5 数据归约

2.3 孪生数据存储

2.3.1 数据存储系统分类

2.3.2 数据存储的标准化

2.3.3 数据存储的安全性

2.4 孪生数据分析

2.4.1 孪生数据分析概述

2.4.2 孪生数据特征描述

2.4.3 孪生数据分布分析

2.4.4 孪生数据分类分析

2.4.5 孪生数据聚类分析

2.5 数据处理新兴技术

2.5.1 云计算技术

2.5.2 边缘计算技术

2.5.3 区块链技术

2.6 本章小结

参考文献

第 3 章 数字孪生建模使能技术

3.1 数字孪生建模概述

3.2 几何结构建模技术

3.2.1 计算机实体建模

3.2.2 激光扫描建模

3.2.3 虚拟现实、增强现实和混合现实建模

3.3 物理机理建模技术

3.3.1 物理机理类型

3.3.2 流体动力学建模技术

3.3.3 多体动力学建模技术

3.3.4 多物理耦合建模技术

3.4 数据驱动建模技术

3.4.1 数据驱动概述

3.4.2 退化建模

3.4.3 代理建模

3.4.4 动态系统辨识

3.5 混合建模技术

3.5.1 混合建模概述

3.5.2 参数混合方法

3.5.3 数据混合方法

3.6 系统关系建模技术

3.6.1 统一建模语言

3.6.2 本体建模

3.7 模型验证与分析

3.7.1 模型的可解释性

3.7.2 模型的保真度

3.7.3 模型的泛化性

3.8 本章小结

参考文献

第 4 章 物理空间到虚拟空间的数字孪生

4.1 数字孪生的 P2V 过程

4.1.1 P2V 过程概述

4.1.2 孪生数据直接映射

4.1.3 代理模型开环映射

4.1.4 孪生模型闭环修正

4.1.5 关键技术

4.2 漂移检测

4.2.1 模型漂移概述

4.2.2 基于误差率的检测方法

4.2.3 基于数据分布的检测方法

4.3 模型更新范式

4.3.1 数据管理机制

4.3.2 模型更新学习模式

4.3.3 模型更新策略

4.4 概率模型更新

4.4.1 状态估计

4.4.2 参数估计

4.4.3 贝叶斯更新算法

4.4.4 滤波更新算法

4.5 智能算法更新

4.5.1 模型微调

4.5.2 强化学习

4.6 数字孪生 P2V 评估

4.6.1 模型快速性

4.6.2 模型保真度

4.6.3 模型泛化性

4.7 本章小结

参考文献

第 5 章 虚拟空间到物理空间的数字孪生

5.1 数字孪生 V2P 总体架构

5.1.1 数字孪生双闭环系统

5.1.2 数字孪生 V2P 理论架构

5.2 智能决策器

5.2.1 智能感知

5.2.2 智能预测

5.2.3 智能优化

5.2.4 综合决策

5.3 行为执行器

5.3.1 控制执行

5.3.2 方案执行

5.4 关键使能技术

5.4.1 模型预测控制

5.4.2 预测性维护技术

5.5 本章小结

参考文献

第 6 章 数字孪生的应用与展望

6.1 数字孪生相关技术的发展趋势

6.1.1 数字孪生数据

6.1.2 数字孪生模型

6.1.3 数字孪生交互

6.1.4 数字孪生可视化

6.2 数字孪生在不同行业的未来应用展望

6.2.1 数字孪生航空航天

6.2.2 数字孪生电网

6.2.3 数字孪生通信

6.2.4 数字孪生医疗

6.2.5 数字孪生船舶

6.2.6 数字孪生能源

6.2.7 数字孪生军事

6.3 本章小结

参考文献