隨著技術的不斷進步和日常對海洋資源的依賴，無人水面航行器（USVs）的作用成倍增加。目前，具有海軍、民用和科學用途的 USV 正在各種復雜的海洋環境中進行廣泛的作業，并對其自主性和適應性提出了更高的要求。USV 自主運行的一個關鍵要求是擁有一個多車輛框架，在此框架下，USV 可以在實際海洋環境中作為一個群體運行，并具有多種優勢，例如可以在更短的時間內勘測更廣闊的區域。從文獻中可以看出，在單體 USV 路徑規劃、制導和控制領域已經開展了大量研究，而在了解多載體方法對 USV 的影響方面卻鮮有研究。本論文整合了高效的最優路徑規劃、穩健的路徑跟蹤制導和合作性集群聚合方法等模塊，旨在開發一種新的混合框架，用于 USV 蟲群的合作導航，以實現海洋環境中的最優自主操作。

首先，設計了一種基于 A* 算法的有效而新穎的最佳路徑規劃方法，其中考慮到了與障礙物的安全距離約束，以避免在移動障礙物和海面洋流的情況下發生碰撞。然后，將這種方法與為 USV 開發的新型虛擬目標路徑跟蹤制導模塊相結合，將路徑規劃器的參考軌跡輸入制導系統。當前工作的新穎之處在于將上述集成路徑跟蹤制導系統與分布式集群聚集行為相結合，通過基于簡單電位的吸引和排斥功能來維持 USV 蟲群的中心點，從而引導 USV 集群進入參考路徑。最后，介紹了一個用于 USV 船隊合作導航和制導的最佳混合框架，該框架可在實際海洋環境中實施，并可在海上有效地實際應用。

美國海軍正在重組其艦隊結構。美海軍正在探索使用無人潛航器 (UUV) 平臺來補充艦隊的可行性。目前的 UUV 只能提供最低限度的監視和水雷探測能力；一種解決方案是在 UUV 平臺上增加攻擊性和增強型探測能力。本研究采用基于模型的系統工程（MBSE）方法，在聯合戰區模擬級全球作戰環境中探索具有增強能力的 UUV 的效果。該方法包括概念原型開發過程、作戰概念、效果衡量標準、不同的 UUV 因素（速度、組成和聲納類型）以及實驗設計。在對 540 次模擬運行的輸出結果進行分析后，結果證明所有三個因素對 UUV 的作戰性能都有重要影響，并表明使用先進的 UUV 可以提高特遣部隊的能力。此外，實驗還揭示了 UUV 的組成與探測和交戰速度之間的強相關性，并證實了使用主動聲納在作戰中的優勢，從而形成了 UUV 功能的交換空間。這項研究證明了 MBSE 在為未來艦隊進行可行性評估方面的實用性。

2016 財年，美國參議院軍事委員會下令海軍將艦隊規模擴大到 355 艘。然而，建造設施的缺乏阻礙了這一工作。負責預算的海軍副助理部長布萊恩-盧瑟少將估計，355 艘艦艇的目標要到 2050 年代才能實現（Larter 2018）。因此，美國海軍正在探索潛在的艦隊重組方案。海軍對用無人系統來補充傳統的有人海軍資產非常感興趣。無人潛航器 (UUV) 就是這樣一種系統。由于高層對艦隊和無人系統都很感興趣，海軍研究辦公室（N9）要求提供測試 UUV 未來能力的方法和流程，以及開展此類研究的實驗環境或工具。此外，目前的無人潛航器主要用于支持水雷戰和小型監視任務（美國防部，2007 年），因此還不了解其對其他角色的影響。

本研究的目的是在計算機輔助兵棋推演中使用基于模型的系統工程（MBSE）方法，特別是聯合戰區級模擬全球行動（JTLS-GO），以探索先進的 UUV 能力作為未來美國海軍艦隊資產的影響，以及作為日益減少的潛艇部隊的替代品的影響。

MBSE 方法是一個多步驟過程，從頭至尾探索整個項目。通過這種方法，我們開發出了一種先進的 UUV 概念和 "眼鏡蛇黃金 2018"（CG18）小插圖或作戰概念（CONOP），這是一種六國（太平洋司令部主辦）指揮所演習（CPX）。小插圖的創建允許對 CG18 進行反復檢查，以確定 UUV 可以解決的能力不足問題。在這種情況下，虛擬演習的重點是敵方（索諾拉）特遣部隊與盟軍特遣部隊（包括 USS Benfold (DDG-65) 和 RSS Endurance (LS-207)）之間的互動。實際演習的結果包括上述艦艇的傷亡。造成這些傷亡的原因是缺乏態勢感知和進攻火力。這些問題為在模擬中注入 UUV 以增強傳感器和火力提供了機會和動力。隨后，確定和建立新能力的作戰要求和限制的過程隨之展開。新的模擬 UUV 設計必須能夠提供額外的進攻和偵察能力。衡量無人潛航器的性能如何以及哪些屬性需要改變，從而制定了效能衡量標準（MOE）和性能衡量標準（MOPs）。這些衡量標準有助于指導實驗設計（DOE）的制定，從而指導名義 UUV 的實驗和評估。

性能指標包括探測效果和敵方減員。關注的性能因素（屬性）包括 UUV 速度、UUV 數量（UUV 艦隊組成）和聲納類型（主動或被動）。DOE 包括對這些因素在三個不同值（水平）下的測試。不同水平的因素組合產生了 18 個設計點。

JTLS-GO 模型是由 Rolands and Associates 設計的事件驅動兵棋推演模擬，用于測試多方聯合戰役和行動（Rolands and Associates 2018）。該項目測試戰爭的多個層面，包括政治、戰略、作戰和戰術層面。

雖然 JTLS-GO 在模擬交戰方面很有用，但根據 Cayirci 和 Marincic（2009 年）的說法，其功能是培訓總部人員更有效地指揮和控制單元。因此，僅使用 JTLS-GO 測試未來概念是不可行的，因為這需要大量資源。為了充分利用 CG18 的人的反應和結果，作者在 NPS 仿真實驗和高效設計（SEED）中心的幫助下，將原始 JTLS-GO 仿真程序轉換為自動化計算機輔助兵棋推演（CAW）仿真。這種轉換允許對未來能力進行多次重復模擬，以便進行統計分析。

這項工作涉及 540 次模擬運行，耗費了 810 個小時的計算機時間。通過回歸分析、趨勢分析和分區樹分析，得出了以下結論：

1.通過在 JTLS-GO 中的 CG18 自動版本中建立建模和實驗環境，MBSE 方法為評估未來 UUV 能力對作戰的影響提供了途徑。

JTLS-GO 中的 CG18 提供了一個框架，利用 MBSE 方法來定義操作差距、創建 UUV 原型、定義測量方式和內容（MOE 和因素）并快速進行實驗。MBSE 所要求的有條不紊和一絲不茍的努力表明，應用這一過程有利于探索 UUV 的未來能力，同時也表明它如何為考察未來艦隊的一系列能力提供機會。

2.UUV 的存在為提供態勢感知和攻擊火力提供了額外的能力，減少了水面的脆弱性。

即使增加了效果最差的因子組合的 UUV，也產生了積極的結果：3 個 "索諾蘭 "單元被擊斃，60% 的單元被發現。采用首選探測因子值的 UUV 使 RSS Endurance (LS-207) 在 30 次模擬中擊沉了 12 次。與此同時，USS Benfold (DDG-65) 在使用這些 UUV 的 30 次模擬演習中只擊沉了 2 次。當環境中存在具有優先損耗因子值的 UUV 時，RSS Endurance (LS-207) 在 30 次模擬中擊沉了 10 次，USS Benfold (DDG-65) 在 30 次模擬中擊沉了 2 次。因此，UUV 的性能導致模擬環境中盟軍傷亡人數減少。

3.主動聲納提高了殺傷力和探測能力，但在速度和 UUV 艦隊組成方面，并不是越多越好。

表 ES-1 列出了實驗中最佳和最差的 UUV 配置。根據該表，推薦的最佳組合是一支中等規模的 UUV 艦隊，以 8 節的速度航行并配備主動聲納。這種配置平均可摧毀近 88% 的敵方目標。

采用自動 JTLS-GO 仿真軟件包的 MBSE 方法所得出的結果可為先進的 UUV 性能提供深入見解，而無需投入大量人力和物力。海軍在規劃其未來架構的過程中，應考慮使用此類工具對平臺進行評估。此外，海軍還應考慮增加先進的 UUV 平臺以補充艦隊。

地面戰斗單位應利用和加強機動作戰的作戰理念，將人機協作和人機結合概念化，以實現和利用更快的節奏、更多的機動選擇和對海軍陸戰隊的保護。

半人馬機動作戰的目的是探索海軍陸戰隊下一代地面作戰單元（GCE）如何利用人機協作（HM-C）和有人無人協同作戰（MUM-T）來實現機器人和自主系統的協同效益，從而提高海軍陸戰隊在戰場上的戰斗力。在古典希臘神話中，半人馬代表著 "一種擁有人的頭部、手臂和軀干，馬的身體和腿的生物"。與這種神話生物如何利用邊緣存在的好處類似，HM-C 和 MUM-T 反映了半人馬的各種表現形式。在這一構想中，新興的戰斗網絡通過利用自主性和狹義人工智能方面的商業進步，將人類的精華與機器的精華結合在一起，以實現相對于對手的比較優勢。由此產生的 "第五代地面作戰單元半人馬"（Centaurs for the Fifth-Generation Ground Combat Element）概念涉及海軍陸戰隊作戰概念中的軍種方向、海軍陸戰隊司令部提出的為 21 世紀重振機動作戰思維的任務，以及為 GCE 提供第五代能力的任務。探索這些方向的方法包括：對戰爭中的 "人馬 "進行文獻綜述；對 "UE CITY "行動進行歷史案例研究，以檢查 GCE 所特有的問題集；以及通過作戰決策游戲對最初的概念假設進行測試。這些工作為最終概念的形成提供了依據。

第五代地面作戰單元 "半人馬 "利用、加強并充當了重振機動作戰這一作戰理念的工具。最近的技術進步為取得相對優勢所提供的價值在于人機協同作戰，以提高人類作戰人員的效能，而不是取代他們。HM-C 加強了 GCE 創造時間優勢的能力，利用速度和時間作為武器。與作戰網絡連接的高性能計算、自主性和狹義人工智能有助于過濾大量數據中的噪音，以發現作戰環境中的相關線索、異常值和異常現象。這種機器輔助功能可幫助指揮官及其參謀人員確定敵方的方向，從而更快地做出與敵方或與作戰環境相關的競爭因素有關的正確決策。MUM-T 加強了全球指揮和控制中心創造空間優勢、利用敵方空隙和弱點的能力。無人系統可作為有人編隊的先頭部隊和側翼屏障，發現、固定和擾亂敵方編隊，而主力部隊則以速度、出其不意和集中果斷的行動來利用這些塑造行動。利用無人系統提供的戰術阻隔，可加強對配對有人編隊的保護。MUM-T 加強了 GCE 創造心理優勢的能力，將欺騙作為一種武器加以利用。多領域無人系統擴大了欺騙和誤導能力，以破壞敵方決策的速度和準確性。第五代地面作戰單元的 "半人馬 "并不會降低對陸戰隊空中地面特遣部隊（MAGTF）航空作戰單元或后勤作戰單元的需求或取代其價值。地面半人馬編隊是對 MAGTF 構建的補充，是聯合武器小組的擴展，旨在使敵方失去平衡，陷入無法取勝的困境。作為 "唯一能奪取和占領地形的 MAGTF 要素"，第五代地面作戰要素應成為發展 21 世紀 MAGTF 聯合武器小組屬性的主要工作方向。

本論文開發了一個基于海底特征導航的模擬框架。使用自動潛航器（AUV）在海底定位感興趣的物品是一種對海軍大有裨益的能力。自動潛航器為消除勞動力需求提供了一個途徑，但其購置和維護成本仍然很高。解決這一問題的辦法是使用兩艘 AUV，其中一艘的能力更強，負責用信標尋找和標記海底物品。配備成本效益型傳感器的消耗性 AUV 將對威脅進行定位、識別和消除。利用海底成像技術將海底圖像與先驗圖像馬賽克關聯起來，再加上超短基線（USBL）信標，AUV 可以在沒有傳統導航系統的情況下完成具有挑戰性的任務目標。增量平滑與測繪 2（iSAM2）是一種同步定位與測繪（SLAM）技術，可用于 AUV 的位置定位，是一種適合實時導航操作的技術，具有圖像和 USBL 傳感功能。模擬框架能夠評估 AUV 的性能，同時將實際操作的風險降至最低。該框架由一個軟件架構組成，可使用與實際操作相同的軟件進行測試。本論文展示了這一框架，并對其在基于圖像的 SLAM 中的可用性進行了分析。

美軍目前的條令基本摒棄了使用潛艇協同戰術（稱為 "狼群戰術"），原因是 "狼群 "之間和 "狼群 "內部的協調十分復雜。然而，最近的技術進步可能會大大提高在狼群中行動的潛艇之間進行安全通信的可行性。基于智能體的建模用于模擬潛艇在戰時環境下的海上行動。模擬了三種安全通信可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續安全通信。考慮了三種戰時環境：獵殺過境商船的潛艇、在中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇，以及在中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。效果以 "產量 "來衡量，即目標的平均殺傷數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。模擬結果表明，隨著戰時中立航運的增加，"狼群 "戰術的成功越來越依賴于潛艇的安全通信和態勢感知。

圖 1.1. 狼群攻擊階段

由于編隊間和編隊內協調的復雜性，目前的條令已基本摒棄了使用潛艇協同戰術（即所謂的狼群戰術）。最近，自主水下定位、通信和其他技術的進步提高了水下艦艇之間協同作戰的可行性。此類技術的興起要求圍繞更具生存力和殺傷力的水下能力重新思考當前的作戰條令。對這一主題的深思熟慮的探索已經開始，如 Cares 和 Cowden（2021 年）對分布式戰爭時代艦隊戰術的未來進行了仔細分析。重新審視 "狼群 "戰術將為海軍思想家提供價值，因為他們將繼續在未來自主無人系統日益增多的海戰環境中尋找最佳戰略。

仿真用于探索 "狼群 "戰術在七個不同場景中的有效性，這些場景既改變了戰時環境，也改變了潛艇獲得信息的頻率。對模擬輸出進行分析，以確定 "狼群 "戰術的成功率在潛艇與目標環境之間安全通信的不同限制條件下如何變化。考慮了三種安全通信的可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續可用通信。考慮了三種目標環境：獵殺過境商人的潛艇、在含有中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇以及在含有中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。潛艇被分配到不重疊的水域空間，每艘潛艇都不會離開其分配的水域空間，也不會試圖擊殺其水域空間外的目標。船只進入第一個水域空間，然后前往第二個水域空間，依此類推。潛艇靠近并將其水域內的船只分類為中立或目標。分類完成后，潛艇會殺死被列為目標的船只。潛艇在一個水域發射的武器不會影響其他水域的潛艇，也不會影響航運行為。效果用 "當量 "來衡量，"當量 "的定義是成功擊殺目標的平均數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。潛艇沒有后勤限制，沒有彈藥限制，敵方戰艦也不會試圖摧毀任何潛艇。

當潛艇進行通信時，它們會將完美的信息傳遞給艇外實體，而不會失去隱蔽性或被攔截的機會。只有當潛艇探測到目標，但無法在目標離開其水域之前對其實施攻擊時，潛艇才會與艇外實體通信。所傳遞的信息是潛艇無法起訴的目標的位置和未來路徑。只有下一個水域的潛艇才會收到來自艇外入口的信息；它會在確定的時間訪問這些信息。與中立航運有關的信息不會傳遞。因此，雖然存在通信的動機，但通信對平均擊斃目標數量的影響是有限的。在戰時環境下，目標與中性商船到達率之比非常小，通信可最大程度地提高 "狼群 "的性能，使潛艇能夠更好地采取行動，摧毀隱藏在大量中性航運交通中的水面行動小組。

該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

作為分布式海上作戰（DMO）的一個關鍵原則，盡管有人和無人、水面和空中、作戰人員和傳感器在物理時空上都有分布，但它們需要整合成為一支有凝聚力的網絡化兵力。本研究項目旨在了解如何為 DMO 實現有凝聚力的作戰人員-傳感器集成，并模擬和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境，尤其側重于有人和無人飛機的情報、監視和偵察 (ISR) 任務。

在半個世紀的建模和仿真研究與實踐（例如，見 Forrester, 1961; Law & Kelton, 1991），特別是四分之一世紀的組織建模和仿真工作（例如，見 Carley & Prietula, 1994）的基礎上，獲得了代表當前技術水平的計算建模和仿真技術（即 VDT [虛擬設計團隊]；見 Levitt 等人, 1999）。這種技術利用了人們熟知的組織微觀理論和通過基于代理的互動而產生的行為（例如，見 Jin & Levitt, 1996）。

通過這種技術開發的基于代理的組織模型在大約三十年的時間里也經過了數十次驗證，能夠忠實地反映對應的真實世界組織的結構、行為和績效（例如，參見 Levitt, 2004）。此外，幾年來，已將同樣的計算建模和仿真技術應用到軍事領域（例如，見 Nissen, 2007），以研究聯合特遣部隊、分布式作戰、計算機網絡行動和其他任務，這些任務反映了日益普遍的聯合和聯盟努力。

本報告中描述的研究項目旨在利用計算建模來了解如何為 DMO 實現有凝聚力的戰斗傳感器集成，并建模和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境。在這第一項工作中，將對當今的海上行動進行建模、模擬和分析，重點是有人駕駛和無人駕駛飛機的情報、監視和偵察（ISR）任務。這為與執行 ISR 任務的一個或多個 DMO 組織進行比較確立了基線。這也為與其他任務（如打擊、防空、水面戰）進行比較建立了基線。第二階段接著對一個或多個備用 DMO 組織進行建模、模擬和分析。

在本技術報告的其余部分，首先概述了 POWer 計算實驗環境，并列舉了一個實例，以幫助界定 DMO 組織和現象的計算建模。依次總結了研究方法。最后，總結了沿著這些方向繼續開展研究的議程。這些成果將極大地提高理解和能力，使能夠為 DMO 實現戰斗員與傳感器的集成，并為集成實施所需的系統能力和行為建模和概述。

美國海軍陸戰隊正在建設反水面作戰領域的能力，特別是在獲得地基反艦導彈（GBASM）及其相關發射平臺方面。研究為分析與這種新能力相關的部隊結構提供了一種方法。研究方法使用離散時間馬爾可夫模型對GBASM炮組和敵方水面艦艇之間的戰術級決斗進行建模。這些模型有足夠的復雜性來解決關鍵的部隊設計問題，并且對決斗的關鍵特征進行了參數化，以便進行強有力的敏感性分析。

在海軍導彈作戰中，重要的是確定所需的炮彈規模S，以使炮彈有足夠高的概率殺死敵艦。GBASM概念的獨特之處在于，與從水面艦艇上發射導彈相比，它能夠將這種炮彈分散到幾個平臺上，并以更適合特定戰術場景的方式進行發射。在這種情況下，如果有一個大小為K的禮花彈，并將該禮花彈分散到N個平臺上，那么每個平臺在特定的禮花彈中發射?枚導彈，這樣K × N = S。有了這個公式，就能夠分析平臺數量和每個平臺發射的導彈數量在這些配置的殺傷力和生存能力方面的權衡。這為成本-效益分析提供了基礎。

對GBASM炮臺與敵方水面艦艇發生接觸的情況進行模擬。從簡單的場景開始，然后逐漸復雜化。讓GBASM發射器與一艘敵方水面艦艇進行決斗。GBASM一方被稱為藍方，水面艦艇被稱為紅方。最初假定雙方都有足夠的導彈供應，并且交換的時間是有限的，因此可以把供應視為無限的。GBASM以彈丸為單位進行發射，每個彈丸至少包括一枚導彈。在藍方的炮擊之后，紅方的水面艦艇有機會進行還擊。

在所描述的環境中，假設藍方具有首發優勢。鑒于GBASM的引入在沿岸地區造成的不對稱情況，首發優勢的假設并不是不合理的。GBASM是移動的，有可能移動到難以探測的地方，只有在準備開火時才出來。GBASM的目標是保持不被紅方船只發現，直到它成功瞄準紅方船只。一旦紅方船只成為目標，GBASM系統就會開火并移動到一個新的位置。如果沒有關于GBASM移動的完美信息，紅方艦艇將持續處于不利地位。

此外，該模型捕捉到了紅方對藍方的炮擊進行防御措施的能力。這些防御性的反措施是用參數λ來說明的，這個參數是紅方根據泊松分布可以攔截的藍方導彈的平均數量。以這種方式對紅方采取反措施的能力進行建模，說明了隨著藍方導彈規模的增加，紅方采取反措施的能力也在減弱。同樣，也說明了紅方針對藍方分布式發射器的能力下降。紅方殺死藍方分布式平臺的能力用參數?表示，根據泊松分布，紅方在還擊中可以殺死藍方平臺的平均數量。這再次說明，隨著藍方平臺數量的增加，紅方瞄準和殺死藍方的效果有限。

在對該模型的分析中，遇到了幾個關鍵的發現。首先，最重要的是確定理想的炮擊規模S，以提供足夠高的殺死敵艦的概率。這不是一個簡單的 "越多越好 "的問題，因為炮擊規模有一個收益遞減點。正如人們所期望的那樣，還得出結論，增加平臺的數量K可以提高生存能力，從而提高GBASM炮臺的殺傷力。然而，改進的幅度對其他參數很敏感，當炮彈規模足夠大時，改進的幅度通常很小。

該研究的主要產出是創建的模型和對它們進行進一步分析的能力。本論文中任何地方使用的參數值都不是由具體的GBASM系統或潛在的敵方水面艦艇的能力來決定的。因此，結果應該被看作是對參數空間可能區域的探索的概括。這些模型提供了根據有關特定系統的能力進行具體分析的能力。

前沿作戰基地（FOB）防御是一項人力密集型任務，需要占用作戰任務的寶貴資源。雖然能力越來越強的無人駕駛飛行器（UAV）具備執行許多任務的能力，但目前的理論并沒有充分考慮將其納入。特別是，如果操作人員與飛行器的比例為一比一時，并沒有考慮提高無人機的自主性。本論文描述了使用先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統開發和測試自主FOB防御能力。開發工作利用了基于任務的蜂群可組合性結構（MASC），以任務為中心、自上而下的方式開發復雜的蜂群行為。這種方法使我們能夠開發出一種基于理論的基地防御戰術，在這種戰術中，固定翼和四旋翼無人機的任意組合能夠自主分配并執行所有必要的FOB防御角色：周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應。該戰術在軟件模擬環境中進行了廣泛的測試，并在現場飛行演習中進行了演示。實驗結果將使用本研究過程中制定的有效性措施和性能措施進行討論。

第1章：導言

1.1 背景和動機

2019年，美國海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍發布了他的規劃指南，作為塑造未來四年的部隊的一種方式。他在其中指出："我們今天做得很好，我們明天將需要做得更好，以保持我們的作戰優勢"[1]。這句話摘自海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍的《2019年司令員規劃指南》（CPG），呼吁采取集中行動，以應對海軍陸戰隊在未來戰爭中預計將面臨的不斷變化的挑戰。在為海軍陸戰隊確定未來四年的優先事項和方向的CPG中的其他指導，呼吁建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人駕駛系統系列"[1]。伯杰將軍進一步呼吁利用新技術來支持遠征前沿基地作戰（EABO）。EABO將需要靈活的系統，既能進行有效的進攻行動，又能進行獨立和可持續的防御行動。簡而言之，實現EABO將需要最大限度地利用每個系統和海軍陸戰隊。

從本質上講，伯杰將軍正在呼吁改變無人駕駛飛行器的使用方式。通過使用大型的合作自主無人飛行器系統，或稱蜂群，將有助于實現這一目標。無人飛行器蜂群提供了在人力需求和后勤負擔增加最少的情況下成倍提高戰場能力的機會。正如伯杰將軍所提到的 "下一個戰場"，海軍陸戰隊將必須利用各種技術，最大限度地利用自主性和每個作戰人員在戰場上的影響。

目前的無人系統使用理論是以很少或沒有自主性的系統為中心。另外，目前的系統依賴于單個飛行器的遠程駕駛；也就是說，每輛飛行器有一個操作員。部隊中缺乏自主系統，這在監視和直接行動的作戰能力方面造成了差距。此外，側重于一對一操作員-飛行器管理的無人系統理論要求操作員的數量與車輛的數量成線性比例。這對于 "下一個戰場 "來說是不夠的。相反，海軍陸戰隊將需要能夠讓操作員擺脫束縛或提高他們同時控制多個飛行器的能力系統[2]。

考慮到這些目標，美國海軍研究生院（NPS）的先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）已經開發并演示了一個用于控制大型、自主、多飛行器的系統，該系統利用了分布式計算的優勢，并將駕駛的認知要求降到最低。ARSENL在現場實驗中證明了其系統的功效，在該實驗中，50個自主無人駕駛飛行器（UAV）被成功發射，同時由一個操作員控制，并安全回收[3]。

1.2 研究目標

這項研究的主要目標是證明使用無人機蜂群來支持前沿作戰基地（FOB）的防御。特別是，這需要自主生成、分配和執行有效的、符合理論的基地防御所需的子任務。這部分研究的重點是開發基于狀態的監視、調查和威脅響應任務的描述；實施支持多飛行器任務分配的決策機制；以及任務執行期間的多飛行器控制。

輔助研究目標包括展示基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）過程，以自上而下、以任務為中心的方式開發復雜的蜂群行為，探索自主蜂群控制和決策的分布式方法，以及實施一般的蜂群算法，并證明了對廣泛的潛在蜂群戰術有用。總的來說，這些目標是主要目標的一部分，是實現主要目標的手段。

1.3 方法論

基地防御戰術的制定始于對現有基地防御理論的審查。這一審查是確定該行為所要完成的基本任務和子任務的基礎。然后，我們審查了目前海軍陸戰隊使用無人機的理論，以確定這些系統在基地防御任務中的使用情況。

在確定了任務要求的特征后，我們為基地防御的整體任務制定了一個高層次的狀態圖。子任務級別的狀態圖等同于MASC層次結構中的角色。

ARSENL代碼庫中現有的算法和游戲以及在研究過程中開發的新算法和游戲被用來在ARSENL系統中實現子任務級的狀態圖。最后，根據高層次的狀態圖將這些游戲組合起來，完成基地防御戰術的實施。

在游戲和戰術開發之后，設計了基于理論的有效性措施（MOE）和性能措施（MOPs）。通過在循環軟件（SITL）模擬環境中的廣泛實驗，這些措施被用來評估基地防御戰術。在加利福尼亞州羅伯茨營進行的實戰飛行實驗中，也展示了該戰術和游戲。

1.4 結果

最終，本研究成功地實現了其主要目標，并展示了一種包含周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應的基地防御戰術。此外，開發工作在很大程度上依賴于MASC層次結構，以此來制定任務要求，并將這些要求分解成可在ARSENL蜂群系統上實施的可管理任務。這一戰術在實戰飛行和模擬環境中進行了測試，并使用以任務為中心的MOP和MOE進行了評估。最后的結果是令人滿意的，在本研究過程中開發的戰術被評估為有效的概念證明。

1.5 論文組織

本論文共分六章。第1章提供了這項研究的動機，描述了這個概念驗證所要彌補的能力差距，并提供了ARSENL的簡短背景和所追求的研究目標。

第2章討論了海軍陸戰隊和聯合出版物中描述的當前海軍陸戰隊后方作戰的理論。還概述了目前海軍陸戰隊內無人機的使用情況，并描述了目前各種系統所能達到的自主性水平。

第3章概述了以前自主系統基于行為的架構工作，ARSENL多車輛無人駕駛航空系統（UAS）和MASC層次結構。

第4章對基地防御戰術的整體設計以及高層戰術所依賴的游戲進行了基于狀態的描述。本章還詳細介紹了用于創建、測試和評估這一概念驗證的方法。在此過程中，重點是對每一戰術和戰術所針對的MOP和MOE進行評估。

第5章詳細介紹了所進行的實戰飛行和模擬實驗，并討論了與相關MOPs和MOEs有關的測試結果。

最后，第6章介紹了這個概念驗證的結論。本章還提供了與基地防御戰術本身以及更廣泛的自主蜂群能力和控制有關的未來工作建議。

該項目通過比較傳統彈藥和美國傳統武器系統發射的超高速炮彈（HVP），探討了普通超高速炮彈如何支持反空戰（AAW）、反水面戰（ASUW）和海軍水面火力支援（NSFS）任務。這項研究考察了HVP在任務規劃、后勤和多個任務區使用的效果。該研究的主要目標問題是："在傳統武器系統中使用HVP是否能提供同等的進攻和防御能力，并改善任務規劃中的后勤運作？" 利用基于模型的系統工程和架構，該項目正式確定了對HVP系統中固有的操作或任務靈活性進行定量系統分析所需的標準。創建了一個深入的模型，分析了包括和不包括HVP彈藥的情況下多個變量的性能，這提供了整體有效性的信息。結果證明了將HVP納入武器系統裝載的好處。在保持性能的同時，在成本、再補給和可用彈藥方面都有好處。基于這個模型的結果，最初的假設被證實，HVP彈藥的有效性提高了整個任務的成功率，并提供了一個成本效益高的替代方案，而不是只使用傳統的武器系統。

執行摘要

本研究考察了在DDG 51（Arleigh Burke）和CG（Ticonderoga）級海軍艦艇上的MK 45-5英寸炮以及DDG 1000（Zumwalt）級海軍艦艇上的先進火炮系統（AGS）155毫米炮中使用超高速炮彈（HVP）作為普通彈藥在任務規劃、操作和后勤方面的效果。HVP是一種多任務彈藥，可以與傳統的武器系統一起使用。

這篇論文通過比較傳統彈藥和美國傳統武器系統發射的HVP，探討了HVP彈藥如何支持反水面戰（ASUW）、反空戰（AAW）和海軍水面火力支援（NSFS）任務。化學推進的HVP彈藥提供了多任務的靈活性，使作戰人員在離開港口時可以帶著比常規導彈更深的彈倉裝載。HVP彈藥改善了由DDG和CG艦組成的海軍遠征軍的后勤作業，減輕了防御和進攻任務的特定武器配置。在艦隊中部署HVP彈藥使這些艦艇具有更強的能力，并為建造或改裝帶有電磁軌道炮及其相關能源支持系統的艦艇提供了一個更實用和更具成本效益的選擇。

在這項研究中，任務情景的重點是在水面行動組（SAG）中使用DDGs和CGs進行AAW、ASUW和NSFS行動。具體的任務場景集中在一個行動的攻擊前階段，以消除敵方持有的島嶼對航行造成的威脅。一個適應性部隊組合（AFP）已經形成，以奪取控制權并消除位于具有戰略意義的紅島上的威脅性進攻能力和少量敵軍部隊。AFP包括一個兩棲準備小組（ARG）和一個由兩艘DDGs和一個CG組成的SAG，其任務是保衛ARG，獲得周圍水域的海上控制權，并在兩棲攻擊前消除威脅性的海岸設施。使用ExtendSim建立了一個作戰模型來模擬行動的預突擊階段，并允許進行系統分析。

Microsoft Excel被用來創建一個隨機模型，探討在對可能擁有武器優勢的對手進行防御性或進攻性交戰時實施HVPs。通過射程目標圖和隨機模型，該場景被模擬成靜態版本。這些工具被用來估計發射的導彈數量、發射的HVP子彈，以及我們場景的統計結果。使用我們的ExtendSim模型進行分析的結果，使用Minitab進行分析，允許驗證隨機模型所捕獲的數據的能力。這使團隊能夠根據不同的統計圖和圖表軟件來分析數據，以收集計算有效性（MOE）和性能（MOP）的措施所需的信息。

衡量效力和性能的結果證明了將HVPs納入武器系統裝載的好處。在保持性能的同時，在成本、再補給、可用彈藥方面都有好處。這些都證實了最初的假設，即HVP彈藥的有效性提高了整個任務的成功率，并提供了一個具有成本效益的替代方案，而不是只使用傳統的武器系統。

用于模擬防御場景的DDG和CG艦的導彈和火炮的致命性概率數據是不保密的，因此本論文中提出的結果需要用保密數據來運行，以獲得現實的結果。

I. 簡介

A. 綜述

美國海軍的使命是 "維持、訓練和裝備能夠贏得戰爭、阻止侵略和維護海洋自由的戰斗準備的海軍部隊"（美國海軍2017）。為了實現這一使命，美國海軍艦艇必須能夠支持幾個不同的任務領域，并能夠在沒有預警的情況下適應不斷變化的任務。為了做到這一點，海軍艦艇依靠使用幾種彈藥類型來支持幾個任務領域。本研究考察了在DDG 51（Arleigh Burke）和CG（Ticonderoga）級海軍艦艇上的MK 45-5英寸炮以及DDG 1000（Zumwalt）級海軍艦艇上的先進火炮系統（AGS）155毫米炮中使用超高速炮彈（HVP）作為通用彈藥在作戰、任務規劃和后勤方面的效果。

B. 問題陳述

目前，美國海軍依靠幾種類型的彈藥來支持進攻性和防御性武器系統和任務能力。任務的需要驅動著艦上彈藥的裝載（即彈藥的類型和數量），在開航前就已經上船。在海上，如果任務或威脅發生了重大變化，艦艇根據其彈藥裝載和能力進行調整和應對的能力可能是有限的，至少在他們能夠在海上或岸上得到補給之前。由于需要在開航前確定武器裝載量，以及必須考慮的各種特定任務的彈藥，限制了作戰的靈活性、能力和容量。這項研究考察了HVP在任務規劃、后勤和使用方面的影響，作為美國海軍反空戰（AAW）、反水面戰（ASUW）和海軍水面火力支援（NSFS）任務領域中的一種通用彈藥。

C. 研究目標

本研究通過比較傳統彈藥和美國傳統武器系統發射的HVP，探討了一種通用的HVP彈藥如何支持ASUW、AAW和NSFS任務。化學推進的HVP彈藥提供了多任務的靈活性，使作戰人員在離開港口時擁有比常規導彈更深的彈倉裝載量，而不必在特定任務的武器中進行選擇。利用系統工程和架構，該項目正式確定了對HVP系統中固有的操作或任務靈活性進行定量系統分析所需的標準。

主要的研究目標是解決這個研究問題，它指出 "在傳統武器系統中使用HVP是否能提供同等的進攻和防御能力，并改善任務規劃中的后勤運作？"

D. 系統工程方法

本項目使用的系統工程方法包括三個階段。它在圖1中被描繪出來。從最初的研究階段開始，對論文主題進行了徹底的研究，以更好地了解被分析的系統。確定了能力差距，進行了利益相關者分析，并對當前系統的運行概念進行了分析。不同的分析被用來確定項目的范圍。該階段完成后，開始了系統架構階段。在這個階段，通過需求分配、功能分析和貿易研究，開發了一個架構來指導系統的設計和開發。在第二階段完成后，系統分析階段開始。在第三階段，團隊對傳統彈藥與傳統武器系統發射的普通HVP彈藥進行了離散事件建模的比較分析。根據這一建模的結果，提出了建議。

圖1. 系統工程方法