反导任务规划技术——基于案例推理

第1章 绪论
　　弹道导弹(ballistic missile，BM)是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行，关机后按自由抛物体轨迹飞行的导弹。弹道导弹一般从地(海)上垂直发射、攻击地面固定目标，其中战略型弹道导弹主要用于突击对方纵深的战略目标，战术型弹道导弹主要用于战场战区火力突击。其作战目的是用载有核武器、常规高效弹药或生化武器的弹头，攻击对方重要的战略、战役和战术目标。由于弹道导弹具有作战性能优和军事效益高的特点，世界各国都将其作为未来战争的 “撒手锏”武器，放在军事力量发展的首位。与此同时，世界各国也在不遗余力地根据自己的国情，从国家战略需要和技术水平出发，建立具有各自特色的反导防御体系。其中，*典型的当属美国的战区导弹防御(tactical missile defense，TMD)系统和国家导弹防御(national missile defense，NMD)系统。其现行的导弹防御系统是一体化分段多层防御体系，从防御阶段划分，可将防御体系划分为三大系统，分别在三个不同阶段对来袭弹道导弹目标实施拦截，以保护美国各战区的重要设施及作战部队的安全。三大系统包括：①助推段、上升段拦截系统，用于拦截处于助推段飞行或上升段飞行的弹道导弹，主要装备的是机载激光武器系统。②中段防御系统，用于在大气层外拦截处于中段飞行的弹道导弹。③末段防御系统又包括末段高层面防御系统和末段低层点防御系统，末段高层面防御系统用于拦截高度在40.160km的中远程弹道导弹；末段低层点防御用于拦截高度在 40km以下的弹道导弹。
　　反导任务规划是一门辅助决策技术，是一种统筹安排所属反导装备高效完成反导任务的方法。反导任务规划系统作为反导指挥控制、作战管理的核心，是反导系统的 “神经中枢"，是武器装备作战能力的 “倍增器"。好的任务规划方法能合理地调度反导作战系统的各作战资源去完成各自的任务，科学利用各种作战资源，灵活运用和充分发挥各作战实体的技术和战术特点，提高作战实体的使用性能，在完成既定作战任务的同时获得作战系统的*大作战效能。
　　1.1 反导作战体系
　　反导作战是指对敌方来袭的弹道导弹进行拦截的防御作战，它是体系对抗作战。反导作战体系主要由反导预警探测装备、反导指挥控制装备、反导拦截打击装备和综合保障系统构成。
　　1.1.1 反导预警探测装备
　　“先期发现，及时预警”是实施反导作战的前提。反导预警装备包括执行反导预警作战任务时使用的所有武器装备与设备，以美军反导预警体系为例，其反导预警体系的构建以天基预警卫星、陆海基预警探测雷达为主体，以其他预警手段为补充，探测范围覆盖全球重点关注区域，具备对各种射程陆基、潜射弹道导弹的全天候、全天时预警监视能力。
　　1. 天基预警卫星
　　根据运行轨道距地面的高度，预警卫星可分为低轨道预警卫星、中轨道预警卫星、地球静止轨道预警卫星和大椭圆轨道预警卫星等。目前，*常用的天基预警系统为：地球静止轨道预警卫星、低轨道预警卫星和大椭圆轨道预警卫星。
　　地球静止轨道预警卫星运行在地球静止轨道，与地面保持相对静止，可对低纬度地区的固定区域保持不间断监视，主要对处于助推段的弹道导弹进行探测。地球静止轨道预警卫星一般搭载有两类传感器：红外扫描传感器与红外凝视传感器。在探测目标时，红外扫描传感器依靠卫星自旋带动线阵探测器旋转，卫星的自转轴垂直于地面，以实现对地表敏感区域的探测。当地球静止轨道预警卫星的位置与目标在红外传感器线阵的位置已知时，就可以计算出目标的星下点、方位角和仰角。由于是被动探测，单颗地球静止轨道预警卫星通常无法给出目标的距离信息，需要多次对目标进行探测后，利用获得的角度信息，对目标的飞行轨迹进行估计，连续探测若干点后，可计算出目标的方向、位置及弹道相关参数。当扫描传感器发现目标后，会把目标信息发送给凝视红外传感器对目标进行凝视探测，对目标作进一步确认，一旦目标确认将及时发出预警信息，并根据对目标的跟踪信息，初步预测弹道的落点与发射点。地球静止轨道预警卫星具有监视区域大、能够尽早发现来袭弹道导弹的优点。
　　地球静止轨道预警卫星的典型代表是美国的DSP地球静止轨道预警卫星，如图1.1所示。美国的DSP地球静止轨道预警卫星的探测性能参数如表1.1所示。
　　低轨道预警卫星运行在地球低轨道上，主要用来对处于中段飞行的弹道导弹进行跟踪探测。通常低轨道预警卫星搭载有两类传感器：截获传感器和跟踪传感器。弹道导弹在中段飞行时温度不断降低，红外特征不断减弱，因此两类探测器具有探测目标辐射出的多种波长的能力，这些波长主要包括短波红外(2.7.4.3μm)、中波红外(6.4μm)、长波红外(16μm)和可见光(0.5μm)。在卫星探测目标时，一维阵列截获传感器探测到强红外辐射的目标后，再交由跟踪传感器的焦平面阵列进行二维跟踪，跟踪传感器使用窄视场、望远镜和凝视方式，保持跟踪到弹道中段和再入段。低轨道预警卫星具有相互通信的能力，卫星之间可以实现跟踪任务传递，即在卫星执行跟踪任务时，一旦目标飞出其探测范围，可以通知其他卫星 “接力"跟踪，继续保持对目标的信息获取。
　　图1.1 美国的DSP地球静止轨道预警卫星[1]
　　表1.1 DSP地球静止轨道预警卫星的探测性能参数[1，2]
　　典型的低轨道预警卫星是美国的SBIRS-Low低轨道预警卫星，如图1.2所示。SBIRS-Low预警卫星星座示意图如图1.3所示。SBIRS-Low低轨道预警卫星的探测性能参数如表1.2所示。
　　图1.2 SBIRS-Low低轨道预警卫星[3]
　　图1.3 SBIRS-Low低轨道预警卫星星座示意图[3]
　　表1.2 SBIRS-Low低轨道预警卫星的探测性能参数[1，3]
　　注：d为目标距离。
　　大椭圆轨道预警卫星可实现对地球某些地区的长时间覆盖，多用于对高纬度地区的长时间覆盖，可以对处于助推段的弹道导弹进行探测。大椭圆轨道预警卫星通常搭载两种传感器：扫描传感器和凝视传感器。扫描传感器主要用于探测来袭的弹道导弹；凝视传感器主要用于确认与跟踪处于助推段的来袭弹道导弹。大椭圆轨道上的预警卫星在近地点时运行速度*快，在远地点时运行速度*慢，利用这一特点，选择适当的大椭圆轨道倾角，可以实现对某些区域的长时间覆盖。
　　典型大椭圆轨道预警卫星如美国的SBIRS-High大椭圆轨道预警卫星[4]，它的远地点在北极上空，高度约为36000km，每颗卫星对北极地区的覆盖时间超过12h，2颗大椭圆轨道预警卫星可以实现对北极附近区域的不间断探测。
　　2. 陆海基预警探测雷达
　　陆海基预警探测雷达主要有X波段多功能相控阵雷达和P波段远程预警雷达。
　　1)X波段多功能相控阵雷达
　　X波段多功能相控阵雷达根据其部署位置的不同可分为海基X波段多功能相控阵雷达和陆基X波段多功能相控阵雷达。
　　海基X波段多功能相控阵雷达又可称为可移动多功能地基雷达，该雷达具有较强的目标探测能力，可对目标进行精确跟踪与识别，通常将其部署于反导预警区域前沿，主要用于获取弹道导弹从主动段到被动段过渡区域的目标精确信息，对后续的弹道导弹飞行轨迹进行精确预测，也用于对拦截弹的引导。其典型代表是美国的前置部署X波段(forward-based X band，FBX)雷达，如图1.4所示。它是一种具有机动能力强、探测精度高、探测距离近等特点的X波段雷达。此种雷达采用了高频技术、先进的雷达信号处理技术以及薄化的相控阵天线(有利于形成更细更窄的雷达波束)，因此能精确跟踪和识别密集分布的目标，并能识别真假弹头；由于其具有较高的分辨力，可以提供助推段到中段过渡阶段的弹道导弹的精确目标信息，通常被部署在靠近敌弹道导弹发射点的地区，为尽早获得弹道导弹的精确预测信息提供重要的信息支持。美国的反导预警FBX雷达的探测性能参数如表1.3所示。
　　图1.4 FBX雷达[5]
　　表1.3 FBX雷达的探测性能参数[1，5]
　　注：RCS为雷达截面积。

反导任务规划是目前正在兴起的一个研究领域，《反导任务规划技术——基于案例推理》以反导作战体系为研究对象，以反导任务规划方案的制定为研究目标，以反导作战理论、案例推理技术及其他相关人工智能技术、优化方法等为理论基础，研究基于案例推理的反导任务规划技术。《反导任务规划技术——基于案例推理》分8章，分别介绍反导作战任务规划基础理论及研究现状、案例推理技术、基于案例推理的反导任务规划框架、反导作战预案表示技术、反导作战预案组织与索引技术、反导作战预案检索技术、反导作战预案修正和评估技术以及基于案例推理的反导任务规划系统设计与实现。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 反导作战体系 1
1.1.1 反导预警探测装备 2
1.1.2 反导指挥控制装备 8
1.1.3 反导拦截打击装备 10
1.1.4 综合保障系统 11
1.2 反导作战过程 11
1.2.1 “两段三层”反导作战过程 11
1.2.2 末段高低两层协同反导作战过程 13
1.3 反导任务规划 15
1.3.1 反导任务规划的相关概念 15
1.3.2 反导任务规划流程 16
1.3.3 反导任务规划的关键问题 18
1.3.4 反导任务规划特点 19
1.3.5 作战应用对于反导任务规划系统的要求 20
1.4 任务规划研究现状 21
1.4.1 任务规划的应用研究 22
1.4.2 任务规划的理论研究 23
1.4.3 反导任务规划研究现状 24
1.4.4 研究现状总结 25
第2章 案例推理技术 26
2.1 CBR技术概述 26
2.1.1 CBR技术的起源与发展 26
2.1.2 CBR技术的应用情况 26
2.1.3 CBR技术的基本思想 28
2.1.4 CBR技术的主要研究内容 28
2.2 案例表示技术 29
2.2.1 一阶谓词逻辑 30
2.2.2 产生式系统 30
2.2.3 语义网表示法 31
2.2.4 框架系统 32
2.2.5 SysML表示方法 34
2.2.6 OWL本体表示方法 36
2.2.7 XML表示方法 40
2.3 案例相似性度量技术 42
2.3.1 确定型数值属性相似性度量方法 42
2.3.2 区间型数值属性相似性度量方法 43
2.3.3 模糊属性相似性度量方法 44
2.3.4 文本属性相似性度量方法 44
2.3.5 案例整体相似性度量方法 45
2.4 案例组织索引技术 45
2.4.1 案例聚类方法 46
2.4.2 B+树索引方法 48
2.4.3 基于案例聚类的案例索引B+树构建方法 50
2.5 案例检索技术 52
2.5.1 基于k近邻的案例索引B+树检索方法 53
2.5.2 基于概率支持向量机的检索方法 56
2.6 案例修正技术 60
2.6.1 重用共异相似案例的修正技术 61
2.6.2 案例的评价技术 62
第3章 基于案例推理的反导任务规划框架 68
3.1 CBR方法的基础分析 68
3.1.1 CBR方法的问题求解过程 68
3.1.2 CBR方法的优势与不足 69
3.2 CBR应用于反导任务规划领域的可行性分析 72
3.2.1 CBR原理与反导任务规划的相似性 72
3.2.2 CBR方法对反导任务规划的适用性 72
3.2.3 反导任务规划中CBR基础假设的存在性 73
3.3 CBR的反导任务规划实现框架设计 74
3.3.1 基于指控过程视角的CBR过程模型改进 74
3.3.2 实现框架的总体设计 76
3.3.3 实现框架具体环节/模块 77
3.4 本章小结 78
第4章 反导作战预案表示技术 79
4.1 基本概念 79
4.1.1 作战方案与作战预案 79
4.1.2 反导作战预案的生成流程 80
4.2 反导作战预案的要素 81
4.2.1 反导作战目的 82
4.2.2 反导作战对象 82
4.2.3 反导作战实体 82
4.2.4 反导作战任务 86
4.2.5 反导作战行动 88
4.2.6 反导的其他条件和约束 89
4.3 基于案例观点的反导作战预案要素 89
4.4 反导作战预案表示的基本要求 90
4.5 具有验证环节的反导预案表示技术 92
4.5.1 预案表示技术流程 92
4.5.2 基于SysML的预案格式化建模 94
4.5.3 基于OWL DL的模型验证 98
4.5.4 基于CBML的预案形式化表示 102
4.5.5 基于关系型数据库的预案存储 111
4.6 本章小结 113
第5章 反导作战预案组织与索引技术 114
5.1 基本概念 114
5.1.1 反导作战预案相似度 114
5.1.2 关键属性和属性值裕度 115
5.2 反导作战预案相似性度量方法 115
5.2.1 相似性度量方法的基本思路 115
5.2.2 预案局部相似性度量 116
5.2.3 预案全局相似性度量 118
5.2.4 反导作战预案相似性度量方法对比实验 119
5.3 反导作战预案的聚类划分方法 121
5.3.1 现有方法对反导作战预案聚类的适应性 121
5.3.2 基于改进GRC和集成技术的作战预案聚类算法 122
5.3.3 算法性能实验与分析 124
5.4 反导作战预案聚类标签配准方法 127
5.4.1 预案聚类标签配准问题 127
5.4.2 现有方法对作战预案标签配准的适应性 128
5.4.3 基于规划模型的作战预案聚类标签配准算法 129
5.4.4 算法性能实验与分析 131
5.5 反导作战预案索引策略 134
5.5.1 现有方法对反导作战预案索引的适应性 134
5.5.2 反导预案BCS-Tree索引构建流程 135
5.5.3 BCS-Tree索引中的预案区位码 136
5.5.4 BCS-Tree索引中的预案 MBR 137
5.5.5 预案划分基点选择 138
5.5.6 基于双基点的预案 MBR分割 139
5.5.7 索引策略性能分析 140
5.6 本章小结 143
第6章 反导作战预案检索技术 144
6.1 反导作战预案检索及其要求 144
6.1.1 反导作战预案检索问题 144
6.1.2 现有方法对反导作战预案检索的适应性 144
6.2 基于BCS-Tree索引的反导作战预案检索 147
6.2.1 检索区域判断策略改进 147
6.2.2 基于BCS-Tree索引的检索算法设计 149
6.2.3 性能分析与实例验证 150
6.3 基于MPLS-SVM的反导作战预案检索 153
6.3.1 MPLS-SVM分类算法 153
6.3.2 基于MPLS-SVM的反导预案检索流程 156
6.3.3 基于MPLS-SVM的类属分类器构建 156
6.3.4 分类器概率结果合成 157
6.3.5 可行性分析和实例验证 158
6.4 两种方法性能对比试验与分析 161
6.5 本章小结 161
第7章 反导作战预案修正和评估技术 163
7.1 反导任务规划预案修正技术 163
7.1.1 反导作战预案修正问题及要求 163
7.1.2 基于双线规则学习的反导作战预案修正技术 163
7.1.3 修正技术实例验证与分析 166
7.2 反导作战预案评估方法 168
7.2.1 反导作战预案评估概述 168
7.2.2 反导作战预案评估指标 168
7.2.3 评估方法选择和度量依据设计 171
7.2.4 反导作战预案评估模型 173
7.2.5 方法实例验证与分析 176
7.3 本章小结 179
第8章 基于案例推理的反导任务规划系统设计与实现 180
8.1 系统总体设计 180
8.1.1 系统体系结构及运行流程 180
8.1.2 系统功能结构 181
8.2 数据库设计 182
8.2.1 预案库设计 182
8.2.2 基本数据库 184
8.2.3 规则数据库 186
8.3 系统公共类设计 187
8.3.1 数据库操作公共类设计 188
8.3.2 预案操作公共类设计 188
8.3.3 其他公共类设计 189
8.4 程序文件组织结构 189
8.5 人机界面设计 191
8.6 仿真实验案例 195
8.6.1 空袭想定设置 195
8.6.2 防御想定设置 196
8.6.3 其他约束情况设置 199
8.6.4 仿真运行参数设置 199
8.6.5 仿真运行结果 200
8.6.6 结果有效性分析 204
8.7 本章小结 205
参考文献 206
附录A 数据库操作公共类代码 216
附录B 预案操作公共类代码 221
附录C 其他公共类设计 231
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