41-EFT.WP.Comms.Navigation v1.0 | 第11章 仿真栈与合成数据

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第11章 仿真栈与合成数据

I. 目标与适用域

• 构建通信/导航的可插拔仿真栈与合成数据基线，覆盖场景生成、几何/遮挡、传播与信道、装置与阵列、时钟与同步、去嵌与口径、鲁棒/NLOS 注入、评测与 Simulation-Based Calibration（SBC）。
• 公式/符号/定义统一英文并用反引号；凡涉及到达时，必须沿用既定 T_arr 口径并显式记录路径 gamma(ell) 与测度 d ell。

II. 模块与架构（SimStack 模块图）

• S110-1（轨迹与运动学）：轨迹生成器 traj(t) 产出 x(t)=[p_WB,v_WB,q_WB]；可接入第7章动力学与噪声 Q_c。
• S110-2（环境与地图）：几何体、材质与电磁/声学属性，生成可见性 𝒱(r,anchor) 与遮挡体。
• S110-3（设备与阵列）：锚点/基站布局 S、阵列模型/相位中心/校准误差。
• S110-4（传播与信道）：TOA/TDOA/AOA/FOA/RSS/CP 生成器；多径/NLOS 注入；损耗/色散 α(ω)。
• S110-5（时钟与同步）：[b_t,\dot b_t] 过程、PTP/GNSS/TWR 时间传递仿真与 cov_clock。
• S110-6（去嵌与口径）：输出 cal_bundle 与 arrival_time.{convention,delta_form,gamma,d_ell}。
• S110-7（鲁棒层）：混合似然、可切换约束与权重 w 注入 Σ_y。
• S110-8（编排与记录）：种子/版本/锚点与 repro_bundle；支持并行与确定性重放。

III. 场景生成与地图库

• S110-9（场景标签）：scene_tag ∈ {indoor, urban, highway, forest, factory, campus, warehouse, UAV_outdoor, …}。
• S110-10（锚点与遮挡）：给定区域 𝒜 与禁入集合，布设 anchors={id,p_S,array}，产生可见性与遮挡图 𝒱(r,anchor)。
• S110-11（运动参与体）：目标/行人/车辆/UAV 轨迹库与速度谱，支持交互约束与碰撞避免。
• M11-1（场景生成流程）：输入 𝒜, constraints, scene_tag → 采样锚点/目标轨迹 → 生成 visibility/RT 与地图摘要。

IV. 传感器/信道/时钟仿真模型

• S110-12（TOA/TDOA）：
  T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) 或 T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )；
  y_TOA = T_arr + b_t + ε_t，y_TDOA = (T_arr,i − T_arr,0) + (b_t − b_t^0) + ε。
• S110-13（AOA）：y_AOA=[θ,φ]^T + ε，几何由 n̂ = (p_anchor − p_WB)/‖·‖ 与阵列模型给出。
• S110-14（FOA）：y_FOA = f_D + f_CFO + ε，f_D = −(f_c/c_ref)(v_rel·n̂)，f_CFO = f_c·\dot b_t。
• S110-15（RSS）：P_rx(dBm)=P_0 − 10η log10(ρ/ρ_0) + X_σ。
• S110-16（CarrierPhase）：φ = (2π/λ)(ρ + c_ref b_t) + 2πN + ε_φ，支持单/双差。
• S110-17（多径/NLOS）：S21(ω)=Σ_m a_m(ω) exp{−iω T_m(ω)}；混合似然 π_LOS 与 μ_NLOS, Σ_NLOS 注入。
• S110-18（时钟与同步）：[b_t,\dot b_t] 由 Allan 系数合成 Q_c；GNSS/PTP/TWR 生成 Δb, cov_clock 并入 Σ_y。
• M11-2（通道仿真）：给定 traj, S, env, arrays, clocks → 生成 y_channels 与 Σ_y。

V. 去嵌/口径/同步的仿真写入

• S110-19（去嵌）：模拟 {open,short,load,thru} 或 {blank,substrate-only} 得 T_arr_bg, n_bg(ω)。
• S110-20（口径写入）：数据卡 arrival_time 强制包含 convention/delta_form/gamma(ell)/d_ell。
• S110-21（同步写入）：cov_clock 作为独立块或合并块进入 Σ_y；链路非对称 b_asym 以表或多项式给出。
• M11-3（契约固化）：cal_bundle + arrival_time + Σ_y + cov_clock 写入 dataset/pipeline 卡。

VI. 合成数据生成与基准

• S110-22（合成数据结构）：{case_id, scene_tag, anchors, traj, y_channels, Σ_y, truths, seeds, repro_bundle}。
• S110-23（基准套件）：A: indoor-UWB | B: urban-5G | C: highway-V2X | D: UAV-mixed 四类标准场景；每类含弱/中/强多径与同步等级。
• M11-4（make_synthetic）：输入 sim_config → 生成 dataset_card.yaml + data.h5 + repro_bundle.tgz。

VII. Simulation-Based Calibration（SBC）

• S110-24（SBC 原理）：从先验采样 θ ~ p(θ)，仿真 y ~ p(y|θ)，经第8章估计器得 \hat θ；检验秩统计/覆盖率。
• S110-25（评估指标）：覆盖率 pass@coverage、秩直方、NEES/NIS、logZ/LOO/WAIC（模型比较）。
• M11-5（SBC 流程）：sample θ → simulate y → infer \hat θ → rank/coverage → report。

VIII. 数据契约（本章必备/推荐字段）

unit_system: "SI"

scene:

tag: "<indoor|urban|highway|forest|factory|UAV_outdoor|...>"

area: "<polygon|volume id>"

map: {type: "mesh|grid|rt", material: "<db>", version: "<hash>"}

anchors:

- {id: "...", p_S: [x,y,z], array: "<ULA|URA|omni>", cal: "<file|hash>"}

trajectory:

seed: 2025

generator: "poly|spline|dynamics"

x0: {p_WB: "<m>", v_WB: "<m/s>", q_WB: "<w,x,y,z>"}

channels:

y_channels: ["TOA","TDOA","AOA","FOA","RSS","CP"]

models: {n_eff: "<model>", loss: "alpha(ω)", multipath: "ray|stochastic"}

clock_sync:

q_allan: {whiteFM: "...", flickerFM: "...", rwFM: "..."}

sources: {gnss: "<mode>", ptp: "<profile>", twr: "<rounds>"}

arrival_time:

convention: "pulled_const|integrand"

delta_form: "c_ref^-1 * ∫ n_eff dℓ" # 或 "∫ (n_eff/c_ref) dℓ"

gamma: "piecewise: free|fixture|substrate|device|environment"

d_ell: "m"

robust:

mixture: {pi_los: "<0..1>", mu_nlos: "<per-channel>", Sigma_nlos: "<blocks>"}

measurement:

Σ_y: "<block-diagonal or sparse>"

truths:

θ_true: "<dict>", x_true: "<trajectory>", cov_clock_true: "<matrix>"

reproducibility:

bundle: {scripts:"...", env:"...", anchors:["S110-*","M11-*","I11-*"], seed: 2025}

IX. 实现绑定（接口原型）

• I11-1 make_scene(area, constraints, tag, seed) -> {scene, anchors, visibility}
• I11-2 place_anchors(scene, policy) -> {anchors, metrics}
• I11-3 simulate_channels(traj, scene, anchors, models, clocks) -> {y, Σ_y, meta}
• I11-4 simulate_clock(allan, sources, schedule) -> {b_t, dot_b_t, cov_clock}
• I11-5 emit_contracts(cal_bundle, arrival, Σ_y, clocks) -> {dataset_card}
• I11-6 make_synthetic(sim_config) -> {data, truths, repro_bundle}
• I11-7 run_sbc(prior, sim_config, estimator, K) -> {coverage, ranks, report}
• I11-8 benchmarks(scene_set, configs) -> {scores, tables}

X. 质量门（本章适用）

• Q1 口径一致：所有 T_arr 仿真与数据卡同时包含 convention/delta_form/gamma(ell)/d_ell。
• Q2 单位/量纲：s/Hz/rad/m/dBm/W 等 SI/工程单位齐全；全部表达式通过 check_dim。
• Q3 决定性重放：种子、版本、地图与锚点哈希完整；repro_bundle 可一键重放。
• Q4 覆盖度与一致性：SBC 覆盖率接近标称；NEES/NIS、轨迹误差与 GDOP 一致。
• Q5 鲁棒注入：混合似然/再加权后 Σ_y 分块更新；删失/可切换约束在因子图/滤波结构中反映。

XI. 跨卷引用与本章锚点

1. 跨卷引用（固定写法）：见本卷第3章（传播与口径/去嵌）、第4章（观测模型）、第5章（几何与 DOP）、第6章（同步链）、第8章（融合估计）、第10章（测量矩阵与实验设计）。
2. 本章锚点：
   • 最小方程：S110-1—S110-25
   • 流程：M11-1—M11-5
   • 接口：I11-1—I11-8

XII. 小结
本章给出可插拔的仿真栈与合成数据契约，将场景—几何—传播—时钟—鲁棒层—计量链贯通，并以 T_arr 口径与可追溯元数据保证跨平台一致性与可审计性；配合第8章融合与第10章实验设计，可用于方法验证、SBC 覆盖度检验与跨场景基准评测。