摘要

這項工作探討了使用人工智能（AI）來加強海軍戰術殺傷鏈。海軍行動對水兵提出了很高的要求，要求他們在與艦隊指揮結構協同操作各種作戰系統的同時，保持對態勢的認識，執行任務，并為沖突做好準備。海軍行動由于涉及到武器的使用而變得更加復雜。涉及武器使用的一系列戰術過程和決策被稱為殺傷鏈。一個有效的殺傷鏈需要識別和了解威脅，確定行動方案，執行選定的行動，并評估其效果。殺傷鏈是一個特別緊張的戰術行動類別，因為它們必須在有限和不確定的知識下，在關鍵和苛刻的時限內，依靠各種先進的技術系統，在高度動態和變化的環境中實施，并造成嚴重后果。海軍正在研究人工智能作為一種新興技術，通過減少不確定性、提高決策速度、加強決策評估來改善殺傷鏈行動。本文介紹了對人工智能方法在支持海軍戰術殺傷鏈的特定功能方面的功效評估。

引言

海軍作戰是動態的，在沖突期間，它們變得高度復雜。在海洋環境中與作戰人員團隊一起操作各種先進的技術系統（包括艦艇、飛機、傳感器、通信系統和武器），建立了一個具有挑戰性的行動基線。在沖突或危機情況下，行動的節奏加快，并可能變得非常不穩定；對形勢的認識和對戰斗空間的了解充滿了不確定性；有效的決定對任務的成功至關重要，并會帶來沉重的后果。

一場涉及武器交戰的海軍悲劇是1998年美國海軍 "文森 "號巡洋艦發射的地對空導彈擊落了商用飛機空客A300，機上290名乘客全部死亡（Pasley，2020）（如圖1所示）。這場悲劇涉及到壓力下的時間關鍵性決策（Johnston等人，1998）。

圖1.美國海軍文森號從甲板上發射導彈。

這一事件代表了海軍行動中決策的復雜性，并特別強調了觀察-定向-決定-行動（OODA）循環中的挑戰，這是由約翰-博伊德在1950年代開發的行動活動模型（瓊斯，2020）。人為錯誤、人類認知的局限性和海軍行動固有的決策復雜性導致OODA環路的挑戰，更具體地說，是殺傷鏈過程的挑戰（馮-盧比茨等人，2008，Szeligowski，2018）。殺傷鏈功能是涉及使用武器系統的戰術活動和決策。一個有效的殺傷鏈需要正確設置和使用艦載傳感器，識別和分類未知的接觸，根據運動學和情報分析接觸意圖，認識環境，以及決策分析和戰爭資源選擇（O'Donoughue等人，2021，史密斯，2010，趙等人，2016）。這項研究源于尋找方法來支持水手和作戰人員以及他們在海軍行動中必須做出的經常是復雜的決定。

最近在人工智能和先進數據分析方面的進展導致了海軍的研究，以確定如何利用這些方法來支持廣泛的海軍應用。正在研究人工智能方法在海軍后勤、任務規劃、物理安全、自主系統和網絡安全方面的潛在應用（Heller，2019，Mittu和Lawless 2015）。

在海軍研究使用人工智能方法的過程中，殺傷鏈是另一個備受關注的主要應用。概念性研究提出將人工智能用作認知助手和人機協作（Iversen和DiVita，2019年；Ding等人，2022年；Johnson 2019年；Grooms，2019年；Albarado等人，2022年）。使用人工智能從多個來源的數據融合中提取知識和作戰環境的情況意識的研究正在成熟（Zhao等人，2018）。

這項研究著眼于整個海軍戰術OODA環，以評估使用人工智能來改善每個特定的殺傷鏈功能。圖2顯示了海軍海上戰術領域的概念圖，作為利用人工智能方法和技術的重點。該圖用軍事術語描述了殺傷鏈OODA循環功能的循環性質：發現-修復-追蹤-目標-接觸-評估。該研究探討了使用人工智能來加強這些功能，因為它們被用于海軍藍軍在海洋領域防御紅軍的威脅。

圖2. 概念圖：人工智能賦能海軍戰術殺傷鏈行動。

本文首先回顧了海軍戰術殺傷鏈，描述了戰術戰爭過程模型，并確定了一組28個殺傷鏈功能作為本研究的主題。下一節總結了適用于殺傷鏈的人工智能方法。隨后描述了為本研究開發的評估框架。本文最后介紹了這項研究的結果--人工智能方法與殺傷鏈的映射。

海軍戰術殺傷鏈

分析開始于對海軍作戰相關的戰術操作模型的研究，以便以一種能夠與人工智能方法相一致的形式獲取對殺傷鏈的描述。目標是建立一個海軍戰術殺傷鏈的描述，以： (1)代表海軍戰術領域中與戰斗有關的行動，(2)具有足夠的通用性，以模擬廣泛的戰術決策和行動，(3)被分解到適當的水平，以確定個別和獨特的過程。

殺傷鏈這個術語是指涉及使用武器的攻擊結構。該過程被描述為一個鏈條，以說明用武器攻擊目標需要一套完整的端到端決策和行動，任何階段的中斷都會破壞該過程。Clawson等人（2015）將殺傷鏈描述為 "成功使用特定武器對付特定威脅所需的任務或功能"。殺傷鏈過程包括目標檢測、選擇與目標交戰和選擇武器所涉及的決策，以及攻擊的實際執行。

約翰-博伊德的OODA循環模型是理解戰術行動的基礎，它代表著觀察、定向、決定和行動。圖3展示了OODA循環模型--強調了循環發生的四個階段的行動或過程。在觀察階段，數據和信息被收集。在定向階段，這些信息被處理、融合和分析，以提供對形勢的認識。在決定階段，藍軍決定是否需要采取行動以及這些行動應該是什么。在行動階段，行動被執行，并收集更多信息以確定是否產生了預期的效果。OODA循環對軍事思想有半個多世紀的影響，并幫助塑造了戰爭系統的發展和戰爭理論（Angerman 2004）。OODA循環模型已被用于預測和理解軍事行動反應時間（Hightower 2007）、認知戰術決策（Plehn 2000）、指揮和控制系統及網絡的設計目標（Revay 2017），甚至是高級軍事戰略制定（Hasik 2013）。在現實世界的戰術行動中，許多OODA循環的活動都是動態的、循環的和并發的。

圖3. 殺傷鏈OODA環

OODA循環模型為理解殺傷鏈過程提供了基礎，并導致了對圖4所示的查找-修復-跟蹤-目標-評估（F2T2EA）殺傷鏈過程模型（參謀長聯席會議，2013）的研究。F2T2EA是另一個以軍事術語描述殺傷鏈的過程模型。F2T2EA模型將戰術功能分為六類，并強調戰術行動的周期性。F2T2EA抓住了戰術戰爭功能、決策和行動的細微差別，為人工智能的映射提供了一個更詳細的框架，以激發具體、全面和獨立的殺傷鏈功能。

圖4. F2T2EA殺傷鏈周期。

這項研究開發了一套28個殺傷鏈功能，列于表1。該表顯示了這些功能是如何被歸入OODA和F2T2EA殺傷鏈過程模型的。建立一套具有一定獨立性的不同功能的目的是為了支持特定的人工智能方法與特定的殺傷鏈功能的映射，同時保持它們能夠代表戰術行動中發生的各種海軍決策和行動。

表1. 28個殺傷鏈功能

殺傷鏈的功能是通用的，適用于涉及 "殺傷"行動的各種戰術行動。在這項研究中，殺傷鏈可以支持進攻性打擊和防御性任務；殺傷可以是硬的，也可以是軟的。這允許使用非致命性和反措施行動，以消除對手的資產，完成戰術任務。

在沖突或危機期間，戰術行動的實施涉及殺傷鏈功能的復雜、動態和循環組合。這些功能會重疊、同時發生、重復出現，并且往往需要根據威脅情況進行多次實例化。"尋找 "和 "修復 "將是持續的功能；"跟蹤 "將出現在探測到的每個物體上；"瞄準 "將對被認為有威脅的物體進行；"交戰 "和 "評估 "將對需要殺傷（或解除）行動的威脅實施。

隨著海軍探索殺傷鏈功能的自動化并考慮使用人工智能方法，殺傷鏈功能的特點也開始發揮作用。殺傷鏈與它的威脅情況密切相關。這種作戰環境在許多方面決定了殺傷鏈的時間軸、交戰幾何、局勢動態、不確定性水平和整體復雜性。表2確定并描述了影響人工智能如何被利用來提高自動化和支持戰術決策的殺傷鏈功能的條件。

表2. 殺傷鏈功能特征

表2中列出和描述的特征具有相互依賴性，這些特征源于任務目標、威脅情況的復雜性以及藍軍資產的結構和能力。任務的性質--進攻性或防御性--確定了事件的初始時間線。威脅情況會影響這個時間線，并影響動態、決策風險水平和整體不確定性。藍軍資產的結構和能力影響到可用的決策選擇。殺傷鏈的決策有許多考慮因素，包括傳感器的覆蓋范圍、對對手意圖的評估、交戰策略、交戰規則和要使用的武器。這些復雜和相互依存的特性影響到可接受的決策風險和不確定性水平，并最終影響到整個殺傷鏈過程中可接受的自動化水平。

這項研究檢查和評估了特定人工智能方法的潛力，以加強特定的殺傷鏈功能。其目的是通過提高自動化程度來改善整體戰術任務--不一定要取代人類決策者，但要支持戰術決策--特別是當殺傷鏈決策過程變得高度復雜時。

人工智能

美國國防部（DoD）將人工智能描述為 "機器執行通常需要人類智慧的任務的能力--例如，識別模式、從經驗中學習、得出結論、進行預測或采取行動--無論是以數字方式還是作為自主物理系統背后的小軟件"（艾倫2020）。人工智能是一個包括許多不同方法的領域，目標是創造具有智能的機器（Mitchell 2019）。人工智能領域正在迅速發展，國防部正在積極研究如何將人工智能有效地應用于軍事任務（GAO 2022）。

DARPA的Launchbury（2017）將人工智能的發展描述為三波，如圖5所示。第一次浪潮（約1970年代至1990年代）產生了基于規則的專家系統，可以推理，但沒有學習或歸納的能力。第二波（約2000年至今）產生了先進的統計大數據學習和深度神經網絡，它們可以感知和學習，但推理或概括的能力有限。第三次浪潮，剛剛開始（2020年及以后），將以上下文適應為特征，在推理和概括能力方面取得進展。未來學家預測，第四次浪潮（2030年及以后）將導致人工通用智能，使機器能夠執行人類能夠執行的任何智力任務（Jones 2018）。

圖5. 三次人工智能浪潮

這項研究專注于三次人工智能浪潮中的人工智能方法，這些方法已經在不同的應用領域得到了證明，或者目前正在研究和開發中。該團隊研究了廣泛的人工智能相關主題（在表3中列出并描述），以便為評估提供知識基礎。

表3中描述的主題是方法、學科和支持能力的類別，它們可能直接影響到為殺傷鏈有效部署AI的能力。每種方法的實施方式將決定未來人工智能支持的殺傷鏈的不同方面。人工智能內部工作的可解釋性和人機合作的能力將影響作戰人員與人工智能系統的互動和信任。特征工程、數據管理和實用功能將影響到人工智能系統的內部運作，因此也影響到人工智能系統的輸出和決策建議。博弈論、決策論、模糊邏輯、融合、空間-時間推理、進化和遺傳算法、預測性和規定性分析以及聯邦學習等學科被納入的方式將決定未來人工智能系統的設計和架構。表3中的人工智能相關主題被用于本文下一節解釋的定性評價。

表3. 人工智能相關主題在殺傷鏈研究中的考慮

該團隊選擇了八種具體的人工智能方法（在表4中列出并描述）用于殺傷鏈的映射。這八種人工智能方法是感知、學習、抽象和推理以獲得更好的知識、預測性能、開發和評估決策選項（或戰術行動路線）的不同技術。它們被認為有可能為殺傷鏈過程的不同方面提供價值，同時也代表了一組不同的人工智能方法，以促進對人工智能如何改善殺傷鏈的更全面的評估。

表4. 八種具體的人工智能方法用于殺傷鏈的映射

目前，人工智能方面的許多進展正在進行中。這項研究確定了感興趣的主題和具體方法，顯示出加強戰術殺傷鏈的強大潛力。本文對這些主題和方法進行了總結。關于人工智能主題和方法的更詳細描述載于本研究的頂點報告（Burns等人，2021）。

評估框架

這項研究開發了一個框架，以評估人工智能方法對殺傷鏈特定功能的適用性。該評估包括兩個部分： (1)從殺傷鏈功能的角度進行的定量分析，以及(2)從人工智能主題的角度進行的定性分析。

第一個部分是基于一套決策點問題形式的四個評價標準（列于表5）、一種評分方法（列于表6）以及與四個決策點中的每一個相關的評價過程。該框架的這一部分產生了一個量化的評價，以評分的形式表明特定人工智能方法對支持或實現特定殺傷鏈功能的適用程度。該小組在應用評分標準時進行了主觀判斷。

表5. 評估決策點問題

表6. 評分標準

第一個決定點要求對每個殺傷鏈功能進行評估，以確定需要什么樣的輸出，并對每個人工智能方法進行評估，以確定其產生的輸出類型的特點。表5顯示了每個決策點的輸出類型。定量輸出包含實數值。定性輸出包括分類數據。集群形式的輸出指的是由強烈關聯的質量分組的數據，通常用于在數據集中尋找模式。基于規則的輸出是一系列的if/then因果規則。表7顯示了對28個殺傷鏈功能之一的評分評估的例子，第25條 "確認影響"。對于這個功能，團隊確定可以使用數據集群來協助特征描述過程，還注意到可解釋的輸出是強制性的，而且預測器的數量較少，以便能夠有更高的準確性。顏色方案表明，聚類是最適合的人工智能/ML方法，邏輯回歸和關聯也可能為殺傷鏈功能提供一些支持。

表7. 25號功能（確認影響）的評分示例

第二個決策點需要對殺傷鏈過程進行評估，以確定什么類型的數據可用，什么類型的學習方式適合每個功能。如果一個包含預測因子和響應變量的完全標記的數據集可用于人工智能的訓練和開發，監督學習將是一個合適的方法。如果殺傷鏈過程中的一個步驟在其數據集中包含預測因素，但沒有響應變量，那么無監督學習將是合適的方法。最后，如果一個殺傷鏈過程有部分或無標記的數據集可用，并且還與一套定義明確的一般規則有關，可以為訓練人工智能學習系統提供反饋，那么強化學習將是一個合適的方法。

第三個決策點根據對人工智能方法的內部運作需要多少可解釋性（或透明的洞察力）來評估每個殺傷鏈功能（XAI=可解釋的人工智能）。為了本研究的目的，這三個選項是基于對要求強制性XAI、希望的XAI或不要求XAI的定性評估。

第四個決策點是根據充分代表殺傷鏈過程不同方面所需的預測因子（或特征）的數量來評估特定人工智能方法的功效。表征與每個殺傷鏈功能相關的決策空間的特征可能會根據現實世界的情況而改變。ML模型需要代表這些特征，并使用輸入變量或預測器來實現。ML模型代表現實世界的方式和相關的特征數量將影響適當方法的選擇。本研究根據輸入特征的數量確定了三類預測器： 1-9，10-99，和100+。

評價框架的第二部分是基于對人工智能相關主題和方法的調查，以及對每種方法的好處和局限性或挑戰的定性評估，因為它們可能適用于殺人鏈領域。這部分評價是從人工智能方法及其對殺傷鏈的普遍適用性這一更廣泛的角度進行的。上一節中的表4列出了被評估的人工智能主題和方法。

人工智能到殺傷鏈的映射

這項研究的結果被總結為兩個人工制品：表8中的映射為每個殺傷鏈功能推薦了最合適的人工智能/ML方法，表9中對戰術領域的人工智能相關方法進行了定性評價。

表8. AI/ML方法到殺傷鏈的映射

表9. 對戰術領域的人工智能相關方法進行了定性評價

表8所示的定量圖譜是對28個殺傷鏈功能中的每一個功能進行決策點評估的結果。每個功能的單獨記分卡可以在相關的頂點報告中找到（Burns et al, 2021）。雖然大多數記分卡導致了一個明確的主導AI/ML方法的適用性，但有四個殺傷鏈功能被評估為有一個以上的潛在方法可供選擇。在8種打分的AI/ML方法中，只有4種得分高到可以進入最終映射：聚類、關聯、邏輯回歸和線性回歸。

定性分析的結果是對人工智能相關的方法和主題以及它們與殺雞用牛的相關性的評價。表9包含了定性評價的結果。

結論

總之，這種映射分析從兩個方向進行：（1）從殺傷鏈開始，將人工智能方法映射到各個殺傷鏈的功能；（2）從人工智能方法和相關主題開始，評估它們對殺傷鏈的潛在效用。由該研究小組開發的第一種方法遵循了一種使用四個決策點的量化評分方法。第二種方法是對各種人工智能方法和相關主題進行調查，并對每種方法與未來人工智能殺傷鏈決策輔助工具的潛在關聯性進行定性評估。

定量分析顯示，一小部分人工智能方法將是為殺傷鏈功能提供高級自動化支持的最佳候選方法。這些方法是：聚類、關聯、邏輯回歸和線性回歸。他們被評估的對殺傷鏈的優越效用是基于他們產生的輸出類型，他們使用的機器學習類型，他們對用戶的可解釋能力，以及他們需要的代表性預測器或特征的數量。這種分析性映射方法是 "自下而上 "的，因為它的起點是傳統的殺傷鏈功能集。它假設各個人工智能方法將被分到各個獨立的殺傷鏈功能中。這預設了一個特定的設計方案，并對殺傷鏈決策輔助工具的未來架構做出了限制。

第二個映射分析是定性的和高層次的，它想象了各種人工智能方法和相關主題的未來潛力，以實現和/或支持未來的人工智能輔助殺傷鏈的決策。這種分析方法是 "自上而下 "的，因為它從一種人工智能方法或感興趣的領域開始，并從整體上評估其與殺傷鏈的一般相關性，而不強加一個特定的設計或被分配到一個特定的功能。這項分析確定了13個與人工智能有關的主題，這些主題可能為未來的殺傷鏈提供效用。人工智能正在成為許多軍事應用中的一項技術。海軍將從人工智能在許多行動中的應用中獲益，包括殺傷鏈。對人工智能增強和/或人工智能啟用的殺傷鏈進行有效和適當的設計和工程，對于實現對同行競爭對手的戰術優勢以及確保其用于支持武器系統的安全性和可靠性至關重要。該項目提供了一個分析基礎，作為繼續研究人工智能在殺傷鏈中的應用的起點。該分析將具體的人工智能方法與殺傷鏈的28個功能相聯系，并確定了人工智能方法和相關主題，這些方法和主題顯示了加強和促成未來海軍殺傷鏈的潛力。這項研究建議繼續研究人工智能和ML在戰術殺傷鏈中的應用。

在描述未來戰場時，許多軍事從業人員推測人工智能（AI）的影響，還有人甚至要求使用人工智能。本文提供了對戰場AI技術的基本理解。首先，最重要的是，高質量、有標簽、有組織的數據為人工智能系統提供養料。此外，許多人工智能架構在接觸到太少或有污點的數據時被證明是脆弱的，有可能被對手所利用。應用一個健全的應用模式，考慮到人類與人工智能實施的互動，有助于確保軍事交戰不會變成純粹的數據驅動模式。

引言

在描述未來的戰場時，許多軍事工作者推測人工智能（AI）的影響，還有人甚至要求使用人工智能。因為人工智能已經推動了部分經濟的發展，并引導了自動駕駛汽車原型開發。這些商業例子代表了工程師們對使用人工智能的選擇，因為它為特定問題提供了正確的解決方案。這些案例經常使用機器學習（ML），它能極好地完成一個特定的數據特征任務，但并不代表人工通用智能。ML算法可以產生令人印象深刻的結果，但事實證明其高度依賴訓練數據，這使它們很容易受到攻擊。盡管如此，軍事規劃者和領導人目前面臨著在哪里實施以及如何投資AI和ML的決定，如果處理不當將很有可能失去半自主性和決策速度方面的潛在戰場優勢。事實上，美國《2022財政年度國防授權法》第226條要求審查 "人工智能和數字技術在美國防部平臺、流程和業務中的潛在應用"，這使得對人工智能和ML應用的理解變得更加緊迫。此外，通過聯合人工智能中心、美國海軍研究實驗室和美國空軍-馬薩諸塞州技術研究所人工智能加速器等組織，實施的有前途的投資和研究。ML對數據的依賴，以及它的脆弱性，揭示了潛在軍事應用的基本風險和限制。這些有助于為一個基本模型提供信息，軍事規劃人員可以據此決定在哪里以及如何利用一個基于人工智能的系統。這個模型，再加上確保數據干凈和跟蹤人工智能系統的訓練時間，可以幫助確保軍事應用不會落入讓人工智能做出不準確或錯誤決定的陷阱。

背景（ML的基礎）

目前ML實施方式是通過訓練計算機系統來很好地完成一項任務。例如，目前的ML系統可以讀取路標。然而，盡管如此，一個用于圖像處理的ML算法如果應用于其他數據模式，很少會產生相稱的結果。例如，一個為其他目的而設計的系統，無法以同樣的信心使用圖像處理算法來識別人類的語音。即使是面對相同的數據模式，如圖像，一個在識別一種類型的圖像（如路標）時表現良好的ML算法，在訓練識別另一種圖像（如樹木）時也可能表現不佳。美國和中國人工智能創新的領導者李開復認為，實施一個ML系統 "需要大量的相關數據，一個強大的算法，一個狹窄的領域，以及一個具體的目標。如果你缺少其中任何一個，事情就會崩潰。" 因此，圖像、音頻、金融和信號處理之外的應用往往仍然是研究和發展的主題。互聯網提供了收集數以百萬計數據點的手段，這些數據點是開發許多強大人工智能系統原型所需要的。然而，這些數據隨后需要組織和標記，通常是由人類來完成，以便ML系統可以訓練。上面的例子，人類可能會查看、識別和標記ML系統最初學習的每一張停車標志的圖像。用來訓練軍事人工智能應用系統的真實標記數據往往很稀缺。數以千計的鳥類或停車標志圖像已經貼上了標簽，這反映了時間和資源的規模，但這不一定能用來標記訓練軍事人工智能系統所需的獨特傳感器數據。如果沒有找到可以轉化為軍事應用的已標記的數據，就必須實施一個收集和標記新訓練數據的系統。由于這些原因，數據的質量和可用性給任何軍事應用帶來了時間和資源障礙。

當提供優質數據時，人們可以在兩種基本模式下訓練ML程序：有監督的和無監督的。監督訓練需要有真實標簽（即正確答案）的樣本。在對新數據進行分類后，ML模型可以將其輸出與正確的解決方案進行比較。當它收到越來越多的訓練數據時，ML算法就會尋求使其輸出與正確標簽之間的誤差最小化。隨著更多的數據和樣本通過ML的反饋，其反應的準確性可能會增加，但太多類似的樣本會使模型過度擬合，使其在執行時對新數據進行錯誤分類。在無監督學習中，ML模型沒有正確分類的樣本；相反，它把數據分成類似的類別。同樣，訓練數據集影響了這些分組在相似性方面的精確程度。當遇到有標簽的數據并尋求特定的分類能力時，監督學習算法可能被證明更有用，而無監督學習最初可能被證明對一個新的數據集更有用。值得注意的是，兩種方法都存在錯誤。

監督和非監督學習都適用于軍事應用。對于圖像分析，一個ML系統有可能識別出特定類型的飛機或車輛的型號。一個ML系統也可以快速識別觀察到的環境變化。這種識別的變化可以觸發其他傳感器或ML系統進行更仔細的觀察。美國空軍最近表示，它已經實施了人工智能來支持目標定位。中國的軍事思想家認為人工智能和智能武器是未來戰爭中潛在的決定性技術。情報、監視和偵察（ISR）；信息戰；和圖像分析是軍事ML的主要應用。

除了建立大量有組織和可消化的數據用于訓練外，ML系統必須可以獲得新數據和計算能力，以執行ML算法。事實證明，圖形處理單元，也就是驅動現代游戲電腦的硬件，可以提供所需的處理能力。然而，移動和處理ML數據所需的存儲空間和帶寬會使推動ML系統向戰術應用發展成為挑戰。這些限制意味著人們可能很快將導航、傳感器到射手射擊等應用推向戰術邊緣。其他可實現的應用，如復雜的飛機維護，需要大量的數據收集、開發和測試，然后在戰術邊緣進行輕度訓練。

有可能的是，人們可以通過在超級計算機上訓練ML系統，進而采用訓練好的算法來克服這些障礙，這個過程中可能會有專門的云架構幫助。網狀網絡和分布式計算方法也將有助于克服這一挑戰。然而，即使要實施這些解決方案，也需要對目前的戰術數據通信進行大規模的改革。訪問和處理數據的能力將決定AI應用在戰場上的位置。如果沒有在戰術邊緣推拉實時數據的能力，ML戰場應用仍將受到限制。

脆弱性（好數據和壞數據）

除了需要大量的數據來訓練ML系統，數據還必須具有良好的質量。質量意味著數據是在不同的情況下從不同來源獲取的，然后以ML系統可以接受的方式進行標注和展示。更重要的是，ML實施必須確保數據的完整性和標簽的準確性。古老的諺語 "垃圾進，垃圾出 "對ML來說是真實的，如果沒有高質量的訓練數據，假陽性或其他不良的結果會大量出現。一些研究實例已經證明了這一點對ML圖像處理算法的影響。簡單地給照片中的像素添加噪音或色調和亮度的輕微變化，就能迫使其做出錯誤的分類，即使在人眼看來圖像是一樣的。同樣，通過在停車標志上放置貼紙來改變一個物體的物理性質，也會迫使ML系統對該標志進行錯誤分類。(另一方面，人類仍然會感知到停車標志，而忽略貼紙）。同樣，谷歌已經證明，一個簡單的 ""放置在圖像的角落里會阻止正確的ML分類。雖然這些例子集中在ML的圖像應用上，但它們說明了ML系統在訓練中的脆弱性以及任何ML系統中數據完整性的重要性。這些問題對許多商業應用來說是可以容忍的，但在軍事背景下，它們就顯得更加突出。

這種對數據的依賴引入了兩種顛覆ML系統的主要方法。攻擊者可以在系統學習之前對數據下毒，或者向受訓系統提供病態數據。像素操作和圖像修補可以在模型訓練階段（即操作前）提供一種攻擊手段。將貼紙貼在停車標志上或房間里的海報上，可以用來攻擊操作中的訓練有素的ML系統。軍事從業人員可以很容易對數據進行篡改。這些可能性包括對數據庫進行網絡攻擊，以及應用簡單而一致的偽裝手段，以確保訓練中的簽名與行動中的簽名不一致。此外，偏離武器系統的正常使用方式，有可能影響ML系統的分類結果。任何ML的軍事應用都必須通過強調確保數據不被篡改、數據來自可靠來源以及數據被正確標記的重要性來防止此類攻擊。同時，軍事人工智能系統必須有一個維持計劃，以便在新的相關數據源可用時用其更新訓練過的模型。在戰場行動的緊迫時間框架內，這種維護可能很難實現。

為了防止這種可能性并反制對手對ML的應用，數據管理變得至關重要。首先，必須開發一種手段，以一種有標簽和有組織的方式跟蹤友軍的數據暴露。這意味著每一次追蹤友軍能力可能會暴露于對手的ISR或通過間諜活動、黑客攻擊、工業或新聞界不知不覺地泄露情況。同樣重要的是，友軍要保持對攻擊者可能擁有數據的理解。對手可能有機會獲得高質量的監控數據，甚至是國防部門實施的ML模型。有了這個數據集和相關的分析，就有可能進行兵棋推演并考慮到對手可能的ML能力。在兵棋推演之后，人工智能專家可以得出關于偽裝、欺騙、甚至數據攻擊的建議。另外，如果知道對手使用什么ML技術，再加上這些友軍數據，就可以估計友軍的弱點或揭示ML賦能決策中的可預測性。因此，了解對手的人工智能和ML算法應該是一個優先事項。這種數據跟蹤方法有助于確定友軍在戰場上使用前應將哪些物品隱藏起來，并指導其有效應用。

然而，僅僅識別關鍵數據是不夠的。軍事部門還必須提供培訓手段，以便進行技術簽名管理。更容易進入安全設施和無線電頻率（RF）屏蔽機庫，或只在適當的光線和云層條件下進行訓練，都是各單位必須實施的概念。人們無法抹去對手收集的舊數據，但隨著國防部門開始實施新的能力，部隊可以管理他們的數據暴露或改變簽名。簡單地改變飛機上的油漆顏色或略微改變一個射頻形式因素就可以減輕過去的簽名暴露。諸如擴大聯合攻擊戰斗機的部署、高機動性火炮火箭系統或新的戰術編隊（如海軍陸戰隊濱海團）等能力應適用所有這些原則，作為其部署和培訓計劃的一部分。總之，要應用的原則包括確保ML訓練數據的完整性，保護和改變友軍簽名數據，并確保友軍ML實施的保密性。

在哪里應用AI（風險）

風險將推動軍隊應該在哪里實施人工智能以及系統應該有多大的自主性。麻省理工學院（MIT）林肯實驗室提出了一個描述人工智能 "影響領域"的模型，它試圖定義人工智能的現有商業和軍事應用。在這個模型中，低行動后果的應用包括將人工智能用于機器人吸塵器，而高行動后果的應用則將生命置于危險之中，如醫療診斷。這個模型將人工智能投資放在不同級別的可用數據和行動后果的類別中。例如，根據這個模型，最初投資于人工智能來分析ISR圖像的行動后果低于使用人工智能來直接攻擊目標。同樣的數據可以為ISR探測和武器交戰提供信息，但顯然行動的后果隨著交戰而增加。

另一個模型在試圖解釋人工智能在未來可能取代的東西時，更依賴于人的因素。李開復分析了人工智能可能取代的人類角色。他從不同的角度對待人工智能的應用，通過審查人工智能的潛在使用是否取代了社會或非社會角色，同時仍然認識到對高質量數據的要求。作為醫療領域的一個例子，精神病醫生的角色是高度社會化的，而放射科醫生的角色是非社會化的。李認為，當提供大量有標簽和可消化的數據時，人工智能投資可以最容易地取代非社會角色。這個觀點與經濟學家已經預測的有關工作場所的自動化取代 "常規手工和認知技能 "的觀點一致，這些技能不需要大量的創造性思維或個人互動。就軍事目的而言，人工智能發揮的社會作用與戰爭中的人類因素有關，如部隊士氣、政治目的和抵抗意志。在軍事應用中只使用基于社會的模型，意味著人們可以考慮用人工智能來取代人類在確定目標和開火的優先次序方面的某些作用。然而，火力行動的后果將必須要求人類繼續參與其中。

結合社會因素和行動后果，提供了一個初步評估工具的例子，即一項軍事活動是否會從人工智能應用中受益，以及應該保留多少人類監督（圖1）。

圖 1. 來自麻省理工學院林肯實驗室和李開復研究的人工智能軍事應用評估模型

正如李開復和麻省理工學院林肯實驗室所強調的數據重要性，組合模型的第一步需要策劃大量的高質量、有標簽的數據。必要的數據和對現有系統的完整理解只意味著人工智能可能會發揮作用。其他重要的技術考慮因素比比皆是，包括但不限于計算的可操作性、優化描述的精確性，以及學習模型的適用性。除了技術上的考慮，其他的標準也告知人們是否應該使用人工智能。使用的行動后果和社會方面的雙軸分析來評估應該如何使用人工智能，而不是是否可以。對人工智能應用的完整評估需要審查數據的可用性和人工智能的技術適用性，然后評估社會和行動的后果要素。

圖1所示的混合模型表明，初始軍事人工智能應用的最佳位置在于行動后果較低的非社會應用。同樣的左下角象限也為初步實施 "人在回路"（HOTL）模式提供了機會。這意味著人工智能將在遵守交戰規則（法律框架）的情況下提供戰斗管理選項，并有可能由人類進行否決，以確保人工智能的建議符合道德要求。 然而，如果沒有人類的干預，HOTL人工智能系統將執行這些行動。HOTL與 "人在回路 "模式形成鮮明對比，在這種模式下，操作者會向人工智能決策過程提供積極的輸入。越是在高度社會化或高后果行動領域的應用，人類就越是要在決策之前保持在循環中。最后，人們會避免在這個模型的右上角直接應用人工智能，在那里會發生具有高行動后果的高度社會活動。

圖2說明了這種方法在常見的聯合目標定位活動中的應用實例。目標開發和優先排序在很大程度上是技術性和非社會性的，導致了較高的行動后果，需要人類參與其中。相反，戰斗損傷評估的行動后果較低，但在確定火力對對手造成的影響時，具有較高的人類社會作用。武器配對和能力分析本身屬于非社會領域，其行動后果相對較低，只需要人類參與其中。指揮官的決策具有高度的社會性和行動后果，應該保持只由人工智能提供信息。這個簡單的應用作為一個說明，并提供了例子之間的相對評估。雖然這個模型提供了一個可以探索如何應用人工智能的例子，但還存在許多其他例子。使用任何這樣的模型，必須首先對人工智能在任何應用中的技術適用性以及數據的質量進行完整分析。

圖 2. AI 評估模型在常見聯合目標定位活動中的應用

使用AI（可信性）

這種人工智能應用模式本身并沒有回答對人工智能系統的信任這一重要問題。就其本質而言，人工智能產生的結果，用戶（甚至設計者）并不完全知道人工智能為何做出決定。這個 "黑盒"留下了重大的道德和信任漏洞。出于這個原因，提供風險控制和代表不確定性的技術研究在不斷推進。雖然圖1中的模型指向了一個人工智能與人類互動的案例，但這并不意味著軍事從業者會信任人工智能的結果。要獲得信任，首先要確保數據的干凈和完整性，這一點在前面已經討論過了。除此之外，人們必須對系統的性能有信心。 一個軍事人工智能的實施不會總是一個靜態的系統。隨著對手調整其設備或新的傳感器上線，人工智能系統將不斷需要接觸到擴大的和當前的數據，以確保其分類決定保持準確，并以正確的理由進行。

就像軍事飛行員和其他專家必須保持使用其武器系統的資格一樣，人工智能的實施將需要一個持續的培訓和評估計劃。人工智能在性能上的重復驗證將涉及到用更新的數據集進行再訓練。任何人工智能系統都必須進行這種性能上的再驗證，因為目前使用的模型并沒有達到通用智能。重新訓練人類操作員以適應新的或新的數據輸入要容易得多，而人工智能算法在引入新的數據時可能完全無法工作。例如，如果一個人工智能系統要將一張圖片分類為朋友或敵人，那么在循環中的人類會想知道人工智能系統使用的是當前的和經過嚴格測試的模型。此外，任何重新訓練人工智能系統的人也希望將當前的性能與過去的性能指標進行比較，以了解系統是否有改進。性能的退化可能表明數據的退化甚至妥協，需要在采用該系統之前對其進行重新訓練。就像訓練有素的軍事技術人員需要在武器平臺上保持最新的資格一樣，人工智能系統在某項任務上適用性和熟練程度也應保持跟蹤。

這些挑戰導致國防部門建立了人工智能道德的五項原則：負責任、公平、可追蹤、可靠和可管理。最近，美國人工智能安全委員會呼吁國家標準和技術研究所制定措施和 "人工智能可信的工具"。 在適當的領域實施人工智能系統，適當地管理數據，并確保當前的人工智能培訓，都有助于建立對軍事人工智能系統的信任。

結論

隨著人工智能研究界開始向國防部門提供能力，沒有經驗的軍事從業者將正確地尋求了解AI和ML的作戰影響。然而，一些急于實施人工智能技術作為目的的軍事領導人有可能不理解人工智能技術的基本原則。人工智能作為解決一個問題的潛在手段，但不一定是最好的手段。首先，高質量的、有標簽的、有組織的數據為人工智能系統提供支持。在最初的開發中，AI/ML戰斗相關的應用可能會依賴來自圖像和信號處理的數據。此外，目前的ML結構在接觸到太少或有污點的數據時被證明是脆弱的。即使提供了一個健全的人工智能實施方案，現在的軍事應用也有可能被對手所預測。隨著國防部門開始使用新的能力并強調軍事行動中的簽名管理，數據管理將被證明是評估人工智能系統使用的最重要因素。應用一個健全的應用模型，考慮到人類與人工智能實施的互動，將有助于確保軍事交戰不會變成純粹的數據驅動。通過在適當領域應用人工智能，確保數據干凈，遵守道德原則，并跟蹤系統培訓，同時減輕新的攻擊載體，那軍事從業者可以信任人工智能。以錯誤的方式應用人工智能將為對手打開容易攻擊的載體，如果不能認識到戰爭中人因的重要性，導致寶貴的資源浪費，不能產生可預測的反應，那最終將無法創造出預期的戰場優勢。

無人駕駛飛行器（UAVs）或 "無人機 "在軍事方面的使用在過去20年里急劇增加，任務范圍從監視、偵察和情報到戰斗支持。技術的進步一方面導致了無人機能力和可靠性的提高，另一方面也降低了生產成本。此外，無人機的可用性也急劇增加，曾經是少數國家專屬的設備現在可以被所有國家的武裝部隊獲得，而且，正如最近的攻擊所證明的那樣，非官方部隊也可以獲得。在這種情況下，無人機可以成為任何沖突的一部分，軍事戰略家們必須將對無人機和潛在的無人機群的反應納入其作戰方案。因此，對無人機的防御必須成為任何成熟的軍事戰略的一個組成部分。本分析探討了無人機的大規模出現給軍隊帶來的概念和行動上的變化，包括與訓練和實施具體的反無人機部隊有關的理論和實際挑戰。首先，我們確定了與無人機和無人機群有關的威脅的演變。然后，我們總結了不同的可能反措施。最后，我們提出了部署這些對策的實際解決方案，特別是通過探索發展和部署專門的反無人機部隊的可能性，以及研究與高科技無人機敵人作戰而不是在傳統戰場上與士兵作戰相關的一些挑戰。

1 簡介

無人機--無人駕駛飛行器（UAVs）的俗稱--不再只出現在科幻小說和預測性小說中。事實上，它們正成為現代城市景觀中越來越常見的組成部分。由于它們的多功能性和可及性，民用無人機在用戶數量和用途的多樣性方面都在不斷增長。無人機的使用正被推廣到研究（Coops, Goodbody & Cao 2019）或應急響應（He, Chan & Guizani 2017）等不同領域。

民用無人機的這種能見度不應掩蓋無人機最初由軍方開發、用于軍事目的的事實。無人機的軍事應用很多，從與民用無人機類似的任務（如監視和偵察，但針對軍事或情報目標）到與UCAVs--無人駕駛戰斗飛行器的戰斗情況（Lucas 2014）。在不到二十年的時間里，無人機已經在支持美國在伊拉克和阿富汗的行動中發揮了重要作用（Sharkey 2011）。2019年9月14日對沙特阿拉伯Abqaiq和Khurais的國有石油設施的襲擊，使無人機在戰爭中的使用更進一步（Hubbard, Karasz & Reed 2019）。事實上，與以往無人機的軍事用途相比，這些攻擊并非由官方武裝部隊公開發起。盡管胡塞武裝運動（一個以也門為基地的伊斯蘭武裝運動）聲稱這次襲擊，但美國當局斷言，襲擊源自伊朗（Said, Malsin & Donati 2019）。Abqaiq-Khurais襲擊事件背后的真正主謀問題在這里并不重要；重要的是，最近在沙特阿拉伯發生的事件是一個縮影，即無人機不再是僅由少數國家掌握的獨家技術。無人機現在不僅可以被合法的武裝部隊用于軍事目的，而且還可以被無數其他國家使用，包括恐怖分子或其他非國家行為者。生產成本更低、更容易和更快的無人機的擴散，不僅重塑了設計和執行監視或偵察的方式，而且還提供了困擾或恐嚇潛在對手的新方法。此外，這種廉價和容易的無人駕駛裝置的擴散顯然提高了世界各地的沖突螺旋的風險（Boyle 2015）。無人機自主程度的提高也在質疑國防軍的反應。事實上，無人機可以從非自主性（需要人類飛行員的持續控制）到完全自主性（一旦發射，被編程為執行其任務而無需任何進一步的人類干預）。值得注意的是，在這個連續體的兩端之間可以存在所有可能的中間水平的自主性。此外，自主權可以通過預編程（從而限制了無人機發射后的適應可能性）或通過使用人工智能（AI）模塊來提供，為無人機提供更多的適應性。除了通過獲得專門的無人機機隊來提高自身能力外，開發反制措施對軍隊來說也是至關重要的。因此，在不久的將來，獲得適當的反無人機反應單位可能是軍事領導人的重點之一。

對無人機的防御必須成為任何全面的、長期的軍事動態的一部分。因此，武裝部隊將不得不適應這一新興的現實。應對無人駕駛威脅所需的變化并不純粹是概念性的；它們將必須轉化為行動上的變化。這些變化不僅必須發生在防御無人機的常規部隊（特別是在陸地/海洋界面）和準備反擊無人機的無人機部署部隊層面，而且還必須發生在軍事參謀的指揮和戰略層面。此外，由于無人機防御問題影響到所有軍種，因此陸軍、海軍和空軍參謀部都需要進行反思。從這個角度來看，本文將在分析這個問題的同時牢記三個操作性挑戰：分析背景和確定威脅，實施有效的反措施，并以適當的軍事人員部署這些反措施--特別是通過探索與發展、部署和維護專門的反無人機部隊有關的可能性和挑戰。

2.反制措施

2.1. 被動反制措施：保護和探測

在某種程度上，針對無人機的被動保護可以由物理基礎設施的設計和建造方式或其位置來提供。事實上，無人機是飛機。就像任何空中進攻一樣，無人機的目標需要從上面進入才能到達。地下設施和重度屏蔽的目標，用無人機可以攜帶的彈頭類型來摧毀更具挑戰性。敏感的軍事基礎設施曾經被建在偏遠地區。然而，這種被動的戰略不再那么有意義了。事實上，通過現代天基地球圖像，地球上幾乎沒有一個地方可以真正被認為是 "偏遠"。由于有了衛星圖像，如今相信一個潛在的結構性目標可以不被定位，或者軍事單位的行動可以不被注意，已經是烏托邦了。作為無人駕駛車輛，無人機嚴重依賴地理定位系統從其發射基地導航到其目標。因此，無人機很容易受到技術惡化的GPS信號，特別是GPS欺騙和GPS干擾的影響。然而，純被動的基礎設施保護所能做到的是有限的，而且在大多數情況下，這些限制已經達到了。事實上，像軍用SAASM（選擇性可用性反欺騙模塊）這樣的系統可以減輕美國軍隊產生的GPS欺騙的影響。還可以開發其他系統，使GPS接收機能夠檢測到欺騙或干擾的企圖。一旦檢測到GPS欺騙或干擾，無人機就有可能切換到其他的導航模式。事實上，無人機可以使用其他各種傳感器方法在GPS屏蔽的環境中進行導航，從視覺模式、紅外線、雷達、聲納（用于水下無人機）、電子/電磁探測到任何這些方法的組合。即使僅僅依靠衛星發出的信號，也可以開發出解決方案。事實上，使用非軍事級別的技術和算法的民間研究人員已經能夠獲得完整和動態的地理定位特征，盡管處于軍事GPS的拒絕區域，實際上打敗了美國軍隊的GPS信號改變系統（Voosen 2019）。將類似的方法應用于無人機導航，基本上可以使它們對GPS欺騙和GPS干擾免疫。

探測無人機是一項相當具有挑戰性的任務。由于大多數無人機體積小，無人機的雷達信號與鳥類的雷達信號沒有區別。此外，一些無人機具有隱身特性，要么是隱身配置（如美國制造的Kratos QX-222 Valkyrie），要么是涂層，旨在減少其雷達信號。因此，由于僅僅依靠雷達不是一個可行的選擇，必須設計出替代方法來探測接近的無人機。由于其搭載的系統和對無線或衛星信號的使用，無人機產生特定的、有時是重要的電子信號。然而，法拉第籠可以減少電子噪音。此外，如果無人機切換到其他引導模式，在接近目標時可以關閉無線或衛星通信--特別是對于不需要與人類操作員保持聯系的完全自主的無人機。視覺識別（例如，使用特定任務的人工智能或深度學習策略）可用于識別無人機。然而，它們的特征可以被設計成使模式識別具有挑戰性，特別是因為無人機通常處于運動狀態。

進行空中機動的無人機會產生噪音，它們的聲學特征因此可以暴露出來。目前正在開發各種音頻處理方法來解決無人機的定位問題（Rascon, Ruiz-Espitia & Martinez-Carranza 2019）。然而，幾個重要的問題限制了現實生活中的無人機聲學探測。事實上，無人機產生的噪聲是動態的，因為無人機通常處于運動狀態。此外，無人機產生的噪聲通常具有很低的信噪比。換句話說，在嘈雜的環境中探測無人機是相當困難的。因此，就其他探測策略而言，在聲學方法可以作為無人機探測的可靠來源之前，還必須做更多的研究。就像被動保護一樣，無人機探測也有其局限性。一旦在限制區或潛在目標附近探測到無人機，無人機防御戰略的下一步就是摧毀敵方單位。這就是接下來的章節將探討的內容。

2.2. 主動反制措施：破壞

無人機并非沒有弱點。士兵們可以使用一些策略來禁用或摧毀敵方的無人機。然而，沒有任何解決方案是完美的，而且可以開發出反措施來對付這些反措施。因此，最佳的反無人機戰略應該結合幾種方法，以確保反無人機部隊的最大效率（表1）。

• 直接射擊 直接射擊通常是對UCAV攻擊的主要反應類型。值得注意的是，直接射擊可以由人類射手或通過自動反空防系統進行。不過，這種解決方案有幾個限制。首先，無人機可能相對較小，而目標的大小可能是一個射擊技巧的挑戰。第二，直接射擊可能會受到能見度不足的阻礙（由于日/夜周期，視線中的障礙物，或大氣條件）。第三，直接射擊很容易被無人機群的攻擊所淹沒。

• 狩獵型無人機 防御者可以使用無人機來獵殺敵方的無人機。在這種情況下，防守方在操作無人機時有幾個主要優勢。由于防守方的無人機通常在離發射點很近的地方操作，所以自主性不是問題--與攻擊方的無人機相比，攻擊方的無人機在到達目標之前必須覆蓋更遠的距離。此外，如果配備了適當的武器，防衛型無人機可以用作飛行射擊平臺，它也可以用于 "自殺模式"，旨在通過直接碰撞摧毀攻擊型無人機。最后，防御型無人機對與制導和導航有關的問題的脆弱性大大降低。事實上，一架無人機可以在大約245米的直視范圍內進行視覺操作（Li等人，2019）。這個距離--取決于人的特征而不是無人機的類型--對于對抗配備了相對較小的彈頭的無人機的攻擊仍然是合理的。不過，這種策略仍然有幾個限制。所有與直接射擊有關的限制都適用于狩獵型無人機。此外，獵殺型無人機具有無人機的通常弱點（包括其搭載的電子系統容易被破壞或被劫持）。此外，部署狩獵無人機所需的時間可能使它們在敵方UCAVs的突然襲擊中難以及時使用。

• 導彈 導彈和其他自主彈頭可以用來摧毀無人機。導彈的速度和精度足以摧毀無人機。然而，這簡直就像用錘子打死一只蒼蠅。雖然理論上是可行的，但使用自主導彈來摧毀無人機并不是一個具有成本效益的解決方案。雖然無人機越來越便宜，但與導彈有關的成本仍然很重要。自主導彈是一次性使用的武器這一事實也有助于使這一解決方案過于昂貴，無法現實地大規模部署。

• 激光武器 激光武器是以激光為基礎的定向能量武器，即以窄光束的形式連貫地發射電磁輻射--放大的光的系統。當到達目標時，激光束會向目標傳遞相當大的能量，使其燃燒，或以其他方式引發重大損害（Coffey 2014）。跟蹤目標運動的可能性（"跟蹤 "目標）和光束達到最大強度的聚焦區域使激光武器完全適合于小型移動目標，如無人機。因此，目前全世界正在開發幾種反無人機的激光武器也就不足為奇了。然而，由于激光武器是基于光束，它們對大氣條件和煙幕非常敏感。此外，如果光被反射到遠離目標的地方，激光的影響就會大大降低。因此，在無人機上涂抹燒蝕材料或用鏡子覆蓋可以有效地對抗大多數激光武器，或至少大大降低其效率（Hambling 2016）。

• 微波武器 無人機的運作依賴于大量的搭載系統的工作，從傳感器到自主處理系統。摧毀搭載的電子設備就等于讓無人機失效。微波武器的目的就是要做到這一點。與激光武器一樣，微波武器是定向能量武器。然而，雖然一些激光武器已經投入使用，但微波武器目前仍主要是實驗性的。此外，使用法拉第籠來保護登船的電子系統（這一點已經可以實現，甚至使用3D打印機技術）可能代表了對這種類型的武器的強有力的反制措施。

• 電子和通信系統的弱點 與其試圖使用微波武器等手段破壞搭載的電子系統，另一種反無人機戰略是利用這些系統及其固有的連接性。即使是最自主的無人機也需要訪問外部資源，如用于導航的GPS信號。因此，無人機通過Wi-Fi、GPS、無線電波等連接。- 這些通信渠道中的每一個都是進入其內部系統的潛在入口。即使沒有軍事級別的技術，也很容易利用傳輸協議，然后利用其硬件/軟件的漏洞（Dey等人，2018）。無人機很容易受到GPS欺騙、GPS攻擊、干擾、無人機特定的惡意軟件（"maldrones"）和無線攻擊（Kerns等人，2014）。盡管軍用無人機系統通常比民用無人機受到更多的保護（例如，通過使用加密的GPS信號進行導航），但它們遠不是不受黑客攻擊的。對無人機的電子系統或功能的攻擊可能有各種目的。1）向無人機的導航系統提供錯誤的信息，誘發無人機的 "失明 "和迷失方向，導致改道或墜機，2）入侵無人機系統，破壞硬件/軟件系統或獲取信息或數據，或3）控制無人機。讓無人機墜毀而不是簡單地摧毀它可能有好處，例如恢復與無人機的導航、傳感器或武器系統有關的部件或信息（特別是通過反向工程）。劫持是通過斷開無人機與初始控制器的連接并替換這種連接來實現的。值得注意的是，無人機劫持可以用另一架無人機作為平臺來完成。劫持的無人機將控制附近的無人機，同時在它們之間飛行，形成一個被奴役的無人機艦隊。然而，利用無人機電子系統的弱點來破壞無人機的企圖也可以被反擊。至于基于微波的攻擊，可以通過將無人機的電子部件固定在法拉第籠（旨在阻擋電磁場的結構）中來對抗專注于電子的方法。網絡安全和基于軟件的技術也可以實施，以使無人機系統更難被黑客攻擊，包括使用加密來保護庫文件，使用混淆器來防止反編譯，檢查GPS延遲和子幀數據，保護Wi-Fi和開放端口，或改善無線電通信安全（Dey等人，2018）。

• 防御性無人機群 上面提到的方法都不足以應對無人機群的攻擊。事實上，無論選擇何種系統，防御性能力都會被數量龐大的自主攻擊單元所淹沒。在這里，一個有趣的應對策略可能是部署另一個無人機群，即有大量的無人機準備在攻擊時起飛。防守的無人機不一定需要協調。事實上，雖然不協調的、自主的或半自主的無人機顯然會錯過一些目標，或使兄弟無人機（即屬于同一蜂群的無人機）陷入 "友軍火力"，但蜂群潛在目標數量的增加，加上防御無人機數量的增加，會使相當一部分攻擊無人機被摧毀的概率足夠高，從而導致攻擊蜂群的重大破壞。盡管使用無人機群來對抗另一個無人機群是一個有效的策略，但這不會導致攻擊機群的完全毀滅。因此，這種方法很可能需要與其他方法（通常是直接射擊）相結合，以消除蜂群的殘余。然而，如果進攻的無人機數量最初被防守的蜂群大幅減少，直接開火的效率就會大大增加。也就是說，兩個蜂群的碰撞可能會產生額外的煙幕和某種程度的混亂，這反過來可能會降低射手消滅最后的攻擊者的能力。與單個防衛無人機一樣，為作戰目的部署的防衛無人機群可能面臨無人機部署速度的問題。在決定UCAV儲存區和發射平臺的位置時，應牢記這一點。

3.發展一支特殊的隊伍

從作戰的角度來看，應對軍事戰場上目前和未來無人機的增加，需要發展和部署專門的反無人機部隊。作為這些部隊成員的士兵將面臨與其他士兵不同的現實；與高科技無人駕駛的敵人作戰與在常規戰場上與士兵作戰是不同的。

3.1. 技術專長

即使反無人機部隊在武裝部隊中仍然有限，其成員的培訓也將面臨重要挑戰。事實上，反無人機部隊的成員必須展示大量的技術專長，不僅與無人機有關，而且在操作和維護特定的反無人機設備方面也是如此，這對常規部隊來說是非常規的（例如，激光武器或微波系統）。因此，從訓練的角度來看，反無人機部隊的成員必須同時接受戰斗訓練和技術訓練。雖然作戰專業知識在軍隊和軍事教育和培訓基礎設施中顯然很普遍，但科學和技術的情況并非如此。重要的是要注意到，傳統的戰斗技能和新興技術的專業知識之間的這些問題性互動--以及在這兩個領域培訓人員的相關問題--并不是作戰軍事單位所特有的。這確實是現代安全的一個更具全球性的問題，與建立一支具有生物技術專業知識、能夠應對當前國際威脅的情報和反情報工作隊伍有關的戰略和實際挑戰就是例證（Guitton 2020）。因此，確保士兵能夠獲得特定科學和技術知識的解決方案不一定在單一單位的獨家培訓中找到。相反，從本質上講，該解決方案是多學科的。因此，小型專業單位的培訓可以在不同的軍事專業中共享。就反無人機部隊而言，士兵應該掌握的一些具體技術知識可能與專門從事遠程探測的偵察部隊相似或至少有些相似。對于一個特定的國家來說，找到足夠多的專業部隊進行共享或跨學科的訓練，肯定有助于減少與組建有關的成本，有助于建立更大的人力資源基礎以進行招募，從而為反無人機部隊提供更強大的勞動力。

3.2. 隱身訓練

與任何旨在對抗特定類型敵人的特種部隊一樣，反無人機士兵的訓練需要考慮到其目標的特點。無人機的主要特征之一是其非常高的機動性。由于其小尺寸和自主性，UCAVs可以極快地部署，并在被發現之前深入到先進的防線中。因此，為了消滅UCAVs，反無人機部隊也需要具有極高的機動性。反無人機部隊必須能夠迅速與他們的目標作戰。然而，鑒于無人機的多功能性，他們也需要能夠迅速脫離，從一個戰場轉移到另一個戰場。此外，無人機在所有類型的戰場上都能發揮作用，包括高密度的城市地區，甚至是水陸交接地區。不過，反無人機部隊的機動性不應簡單理解為空間上的機動性，也應理解為概念上的機動性。事實上，反無人機部隊需要能夠從一種戰斗模式切換到另一種模式，這取決于他們所針對的UCAVs的具體阻力。

無人機的另一個特點是它們大量使用各種傳感器。因此，反無人機部隊的機動性應伴隨著一定程度的隱蔽性。反無人機部隊應該能夠快速移動，并且在這樣做的同時盡可能不被注意。這種 "隱蔽性 "也應該延伸到戰場之外。事實上，無人機戰爭是一種嚴重基于信息的戰爭。由于無人機通常是部分自主的，指揮無人機至少需要對敵人的防御系統有一定程度的了解。雖然反無人機部隊的存在可以產生有效的勸阻作用，但這種部隊應該對其確切的設備和部署信息保持盡可能的保密，因為這將使他們更難以反擊--如果面對敵人的UCAVs，這將有助于他們達到最大的效果。值得注意的是，戰場上的隱身和戰場外的謹慎之間的這種關系并不是什么新鮮事。事實上，在歷史上，它已經在信息收集至關重要的沖突中被概念化。例如，Hensōjutsu，將日本封建武士的偽裝技術組合在一起，是Jintonpō的一部分，即 "獲得隱形的方法"。在數字時代，隱身術更進了一步。反無人機部隊的成員在使用虛擬空間時應保持謹慎，避免公開明智的內容或發布可能提供直接或間接信息的項目。如果被發現，反無人機部隊的成員可能會成為外國情報機構操縱的特權目標（Guitton 2019）。

3.3. 心理支持

無人駕駛戰斗的出現為所有接觸無人機的人創造了新形式的戰斗壓力--包括士兵和平民。軍事無人機飛行員已經多次被報道在戰斗事件中經歷了重要的心理壓力（Sharkey 2011）。鑒于反無人機部隊，顧名思義，主要是向無人機而非人類開火，這似乎與防衛無人機的操作者不太相關。然而，通過UCAVs進行打擊的方式是發生心理壓力的一個突出因素（Sharkey 2011），無論目標是否為人類，這使得防衛性無人機飛行員遭受類似結果的風險成為現實。雖然創傷后應激障礙（PTSD）通常被視為無人機飛行員心理健康問題的旗幟，但UCAV操作員報告了廣泛的心理健康問題，包括危險的酒精使用、抑郁癥、中度或嚴重的焦慮，以及亞臨床PTSD癥狀（Chappelle等人，2014；Phillips等人，2019）。雖然在美國空軍UCAV飛行員通常遠程操作無人機，即從美國境內的安全地帶而不是直接在戰場上操作，但這一人群中PTSD的發生率很高，盡管低于從部署中返回的軍事人員（Chappelle等人，2014）。與其他士兵相比，UCAV操作員的心理健康問題風險不一定增加，然而，較高比例的無人機飛行員患有與心理健康有關的重大功能障礙（菲利普斯等人，2019年）。

除了與工作時間和軍事與民用領域之間的困難定位有關的因素外，基于美國空軍經驗的研究--可以說代表了最大的作戰UCAV操作員群體--表明，UCAV操作員感到對旁人的傷害或死亡負有共同責任的戰斗相關事件的數量是發生PTSD癥狀的重要預測因素（Chappelle等人，2019）。特別是在無人機群的背景下，一些無人機可能成功穿越目標的防御。因此，防衛無人機的操作者，或者，專門負責防衛無人機的士兵，很可能會暴露在關于對旁觀者（在這種情況下，他們負責保護無人機攻擊的士兵或平民）的潛在傷害的類似情況下，對他們的心理健康有潛在的類似結果。除了這種增加的風險因素外，其他因素也可能增強反無人機部隊士兵的心理脆弱性。這主要是指高度的壓力，與普通部隊相比，反無人機部隊的壓力更大，這主要是由于對無人機攻擊的反應時間（從發現無人機到做出反應的時間）比大多數常規軍事部隊要短。

最后，在無人機將發揮重要作用的戰斗背景下，反無人機部隊可能很快成為優先目標，從而為其成員帶來更多壓力。因此，希望發展反無人機部隊的軍隊必須考慮到這些因素，并實施強有力的心理健康監測計劃，以確定潛在的脆弱士兵，并在需要時部署強有力的心理和精神醫療支持。

結論

無人機曾經局限于少數國家的武裝部隊，現在已經很普及了。隨著任務范圍的擴大，從監視和情報到戰斗，無人機在城市和非城市環境中的作戰能力，以及它們越來越多的可用性，無人機在作戰領域的存在在不久的將來只會增加。新興技術正在使無人機變得越來越可靠，越來越難以對付。

隨著無人機變得越來越普遍，各國都加大了在該領域的研究力度。這場捉迷藏游戲的馬達是技術。然而，贏得與無人機開發商的軍備競賽是一場永無止境的游戲。事實上，對于我們仍然可以控制的少數元素，技術的發展可能會使目前的防御措施大量過時。然而，反無人機防御不僅僅是技術問題，也是人和組織問題。因此，解決方案不能在純粹的技術方面找到，而必須包括人的層面。反無人機的最佳戰略將依賴于小型的、專業的、在技術和戰斗技能方面具有混合專長的單位，具有高度的機動性，并能快速應對危機。這樣的單位應該能夠快速部署在戰場上。這不僅會提高反應的效率，而且還能實現重大的規模經濟--因為部署一支專門的部隊比動員一個龐大但不專業的營隊更有成本優勢。能夠部署反無人機的多模式反應，并獲得這樣做的人力專長，對任何國家來說都是至關重要的，不論其規模和相對軍事力量如何。較小的國家在這樣做時甚至可能比最大的軍事力量有更多的相對優勢。

我們在過去幾十年中所看到的只是冰山一角。我們正處于技術引起的大規模社會變革的黎明。技術將大規模地改變戰爭。人工智能和戰斗機器人很快就會出現在戰場上。在這種情況下，反無人機部隊可能是我們從作戰角度對未來戰爭的第一瞥。因此，反無人機部隊很可能成為未來戰爭部隊的組織、訓練和實施的模板。

在過去的十年中，使用自主無人機系統進行測量、搜索和救援或最后一英里的交付已經成倍增加。隨著這些應用的興起，需要高度穩健、對安全至關重要的算法，這些算法可以在復雜和不確定的環境中操作無人機。此外，快速飛行使無人機能夠覆蓋更多的地面，這反過來又提高了生產力，并進一步加強了它們的使用情況。開發用于高速導航的算法的一個代表是自主無人機競賽的任務，研究人員對無人機進行編程，使其盡可能快地使用機載傳感器和有限的計算能力飛過一連串的閘門并避開障礙。速度和加速度分別超過80公里/小時和4克，在感知、規劃、控制和狀態估計方面提出了重大挑戰。為了實現最大的性能，系統需要對運動模糊、高動態范圍、模型不確定性、空氣動力干擾和通常不可預知的對手具有魯棒性的實時算法。本調查涵蓋了自主無人機競賽的進展，包括基于模型和學習的方法。我們提供了該領域的概述，其多年來的演變，并以未來將面臨的最大挑戰和開放性問題作為結論。

縱觀歷史，人類一直癡迷于比賽，在那里，身體和精神的健康受到了考驗。最早提到的正式比賽可以追溯到公元前3000年的古埃及，法老被認為在賽德節上進行了一場比賽，以顯示他的身體素質，表明他有能力統治王國[1], [2]。隨著時代的發展，人類已經從步行比賽轉向使用戰車、汽車、飛機，以及最近的四軸飛行器[3]。雖然船只經常變化，但自早期的賽車以來，有一件事一直保持不變，那就是把任務作為科學和工程發展的催化劑，這是一個反復出現的主題。最近，我們看到有人推動將人類從循環中移除，將高度復雜的賽車任務自動化，以推動車輛性能超越人類所能實現的。

A 為什么要舉辦無人機比賽?

無人機競賽是一項受歡迎的運動，有高知名度的國際比賽。在傳統的無人機比賽中，每架無人機都由一名人類飛行員控制，他從機載攝像機接收第一人稱視角（FPV）的實時流，并通過無線電發射器駕駛無人機。圖1中可以看到無人機的機載圖像。人類無人機飛行員需要多年的訓練來掌握先進的導航和控制技能，這些技能是在國際比賽中取得成功所必需的。這種技能對于必須快速、安全地在復雜環境中飛行的自主系統也很有價值，其應用包括災難響應、空中運送和復雜結構的檢查。例如，在搜救場景中，無人機必須能夠在復雜的環境中快速導航，以最大限度地擴大其空間覆蓋。更簡單地說，能夠快速飛行的無人機就能飛得更遠[4]。

圖1：無人機競賽是一項迅速普及的運動，對手在由一系列門組成的預設賽道上競爭。自主的無人機競賽研究旨在建立能夠在這種比賽中勝過人類飛行員的算法。 a) 自主的無人機競賽任務在過去幾年中獲得了研究界的大量關注，每年相關出版物的數量不斷增加就說明了這一點。 b) 自主的無人機依靠視覺和慣性傳感器來估計自己的狀態，以及對手的狀態。

檢查任務的自動化可以拯救生命，同時比人工檢查更有成效。根據最近一項關于無人駕駛飛行器（UAV）在橋梁檢測中的使用的調查[5]，大多數用于檢測任務的無人機依靠GPS導航，而檢測效率的最大限制因素是無人機的耐力和機動性。此外，作者指出，美國幾個交通部用于勘察的最流行的無人機并不是完全自主的，需要專業的人類飛行員[5]。高度靈活的無人機系統的商業和安全優勢是顯而易見的，然而對自主無人機競賽的研究也可以幫助我們對人類飛行員的視覺處理和控制是如何工作的獲得新的理解，如[6]所示。

在過去的五年里，已經啟動了幾個項目來鼓勵該領域的快速進展，如DARPA的快速輕量級自主（FLA）[8]和歐洲研究理事會的AgileFlight[9]。這些項目的資金池都超過100萬美元，并具有巨大的商業潛力，這對研究人員和企業家探索敏捷飛行研究的新模式有很大的激勵作用。諸如IROS'16-19自主無人機競賽系列[10]、NeurIPS 2019的無人機游戲[11]和2019年AlphaPilot挑戰賽[12]、[13]等競賽為研究人員提供了進一步的機會，以競爭方式相互比較他們的方法。圖2中可以看到這些比賽所取得的進展的描述。

無人機競賽是一個具有挑戰性的基準，可以幫助研究人員衡量復雜的感知、規劃和控制算法的進展。比賽中的自主無人機必須能夠在幾十毫秒的范圍內進行感知、推理、計劃和行動，所有這些都在一個計算有限的平臺上進行。除了具有很大的挑戰性外，無人機競賽任務提供了一個衡量自主飛行機器人技術進展的唯一標準：單圈時間。解決這個問題需要算法高效、輕便，并實時提供最佳決策和控制行為。此外，如圖1所示，我們看到該領域的論文數量逐年呈指數式增長。

據作者所知，這是第一份關于自主無人機競賽技術狀況的調查。這一概述對于那些希望在現有工作之間建立聯系、了解當前和過去方法的優勢和劣勢，以及確定前進方向的研究人員來說是非常有用的，這將使該領域獲得有意義的進展。

B 任務說明

無人機競賽的任務是在最短的時間內駕駛四旋翼飛機按照給定的順序通過一系列的門，同時避免碰撞。人類在這項任務上的表現令人吃驚，他們以遠遠超過100公里/小時的速度飛行，只用第一人稱視角的攝像機作為他們的感官輸入。除此之外，專家級飛行員可以在幾分鐘內迅速適應新的賽道，然而專業無人機飛行員所需的感覺運動技能需要多年的訓練才能獲得。

對于自主無人機來說，要成功完成這項任務，它必須能夠檢測對手和賽道上的航點，計算它們在三維空間中的位置和方向，并計算出一個動作，使其能夠盡快地在賽道上導航，同時還能控制一個高度非線性系統的極限。這在三個不同方面具有挑戰性。感知、計劃和控制。其中任何一個方面的不良設計都可能造成比賽的勝負，而比賽的勝負可能由不到十分之一秒的時間決定。

本文的結構如下。首先，在第1節中詳細討論了無人機的建模過程，包括空氣動力學、電池、電機、相機和系統的非線性因素。第2節然后在第二節中介紹了一個經典的機器人管道。第3節介紹了一個經典的機器人管道，并深入探討了與敏捷飛行相關的文獻，分為感知、規劃和控制三個子節。之后，在第4節中我們深入研究了基于學習的感知、規劃和控制的方法，這些方法依賴于機器學習界的最新進展。然后，第5節討論了仿真工具的發展，這些工具可以使敏捷飛行的應用得到快速發展。第6節介紹了無人機競賽的歷史和用于每項競賽的方法。接下來，在第7節中提供了一個開放源代碼庫、硬件平臺和研究人員的數據集的摘要。最后，在第8節中對未來對自主無人機競賽感興趣的研究人員的機會和挑戰進行了前瞻性的討論。

美國長期以來一直依賴大量復雜的傳感和通信基礎設施，以便在發生核攻擊時接收警告并執行核指揮。這個指揮和控制網絡高度依賴天基資產來運作，并在發生核危機時向決策者提供可靠的信息。本文旨在全面概述衛星在美國核指揮和控制網絡中的貢獻，分析核現代化進程中的太空資產，探討隨著太空環境變得更加有爭議，它們所面臨的脆弱性和風險，并提出政策解決方案以加強和保護這一重要的基礎設施。這些信息應作為學者、從業人員和決策者的資源，以更好地理解這一復雜的系統和它在今天的太空環境中所面臨的獨特挑戰。

1 美國核指揮與控制網絡

美國的核指揮、控制和通信（NC3）網絡是一個由許多關鍵部分組成的復雜系統，旨在支持美國的核威懾力量。國防部將NC3定義為使總統能夠行使核權力的設施、設備、通信、程序和人員。下面的圖形顯示了這個網絡的組成部分的簡化效果，包括核平臺本身、傳感器、通信基礎設施和決策人員。

圖 1：天基核指揮與控制。

《核態勢評估》（NPR）是美國每屆政府核政策的指導性文件。最新的《核態勢評估報告》發表于2022年，概述了核指揮和控制系統的五個關鍵功能：探測、警告和攻擊特征；適應性核計劃；決策會議；接收和執行總統命令；以及促成部隊的管理和指揮。這些功能是通過一個相互連接的系統來實現的，其中包括預警衛星和雷達、通信衛星、飛機和地面站、固定和移動指揮所以及核系統的控制中心。目前的系統通常被稱為有兩層："粗線"，包括標準的操作和危機架構，以及 "細線"，為總統、國防部長和作戰指揮官提供可生存、安全和持久的連接。NC3是核力量和總統權力之間的聯系。

核指揮和控制網絡需要高度的生存能力，即使在最壞的核戰爭情況下也能繼續發揮作用。它被設計成可在各種極端條件下生存，并納入了加固、移動、冗余和隱蔽措施。

2 NC3中的天基資產

NC3的天基部分是美國國防的組成部分，因為它是 "傳遞總統使用核武器命令的首選手段，并將為即將到來的核攻擊提供第一個警告"。衛星提供安全通信；情報、監視和偵察（ISR）；導彈發射預警；定位、導航和定時（PNT）功能，以及NC3系統和網絡的同步。這些系統包括一顆衛星或由許多衛星組成的星座、地面站、傳感器和用于發射和接收數據的上行/下行鏈路，以及最終用戶的終端。 此外，地球觀測、電子情報和氣象預報也是有助于NC3的天基功能。根據空軍負責戰略威懾和核整合的副參謀長杰克-溫斯坦中將的說法，"我們需要一只不眨眼的眼睛來發現正在發生的事情。這只不眨眼的眼睛是由太空提供的......[NC3網絡]完全依賴于太空。"

2.1 通信

主要的NC3衛星通信（SATCOM）基礎設施是由六顆衛星組成的地球同步高級極高頻（AEHF）星座，它是1990年代MILSTAR計劃的后續。AEHF由極地軌道上額外的受保護的SATCOM單元支持，目前包括兩個增強型極地系統（EPS）托管有效載荷和支持系統，提供65度以上緯度的覆蓋。AEHF是一個多服務的通信星座，旨在保護其免受某些形式的反太空攻擊。AEHF為NC3網絡以及其他陸地、海洋和空中資產提供抗干擾通信。

值得注意的是，AEHF為位于北緯65度和南緯65度以內的緯度提供服務，這涵蓋了從北極圈底部到南極洲北部的所有地區。AEHF的通信也與選定的盟友和合作伙伴共享。AEHF在整個核戰爭期間為總統、國家安全高級領導人以及軍事戰術和戰略部隊提供可靠的通信。 AEHF是少數幾個公開承認的可以傳送行政授權命令的途徑之一。AEHF星座為陸戰、空戰和海戰；特種作戰；戰略核作戰；戰略防御；戰區導彈防御；以及太空作戰和情報提供支持。六顆老化的MILSTAR衛星，其中第一顆于1994年發射，此后被較新的AEHF星座所補充，現在已經退役并遠離了地球靜止軌道。最后一個AEHF有效載荷于2020年3月作為第一個太空部隊任務發射，六顆衛星的計劃總成本為150億美元。

2.2 導彈告警

天基紅外系統（SBIRS）是主要的預警衛星群。由六顆帶有核加固部件的衛星組成，SBIRS由高橢圓軌道上的兩個托管傳感器有效載荷和地球同步軌道上的四個專用有效載荷組成。SBIRS使用探測熱信號的紅外傳感器來監視地球，提供用于導彈防御、戰斗太空感知、導彈預警和戰術情報的大量數據，通過五個獨立的下行鏈路向地面發送未經處理的原始數據。作為國防支持計劃（DSP）星座的后續項目，SBIRS被設計為滿足系統生存能力和耐久性要求，并對太空中的核電磁爆炸進行加固。截至2022年8月4日，所有六顆衛星都已成功發射到地球同步軌道。 空軍最初的預算計算預計SBIRS六顆衛星的費用為50億美元--目前的數字顯示SBIRS六顆衛星的費用為192億美元。

圖 2：SBIRS 導彈預警衛星

2.3 核爆炸

雖然預警和安全通信衛星因其在國家安全中的作用而眾所周知，但其他執行更平凡任務的衛星受到的關注較少，但對國家安全行動仍然很重要。這些衛星系統和它們各自的地面站是更大的NC3系統的組成部分。

全球定位系統（GPS）、國防支持計劃（DSP）和其他機密的地球同步軌道星座上的主機傳感器也為NC3做出了貢獻。 這些衛星承載著美國核爆炸（NUDET）探測系統（USNDS）的太空部分，根據空軍的說法，該系統 "提供了一種近乎實時的全球高生存能力，以探測、定位和報告地球大氣層或近太空中的任何核爆炸。" 這些傳感器自1978年首次發射GPS以來一直在運行，并向國家指揮局、美國戰略司令部、美國太空司令部和空軍技術應用中心提供核力量管理、技術情報和條約監測，資金由空軍和國家核安全局提供。太空部隊在其2023財年預算中要求700萬美元用于繼續采購NUDET系統。

2.4 NC3現代化

正在進行的核現代化進程始于2000年代初對下一代B2轟炸機的升級，并如奧巴馬總統領導的2012年《核態勢評估報告》所概述的那樣更廣泛地繼續進行。 目前的現代化推動得到了政治妥協的支持，并與2010年批準新的《削減戰略武器條約》同時進行。它是由幾個因素驅動的，包括隨著俄羅斯等對自己的戰略武庫進行現代化改造，與這兩個國家的對外競爭加劇，以及需要更換老化的武庫和支持性基礎設施，并利用當今的數字技術升級核基礎設施。美國戰略司令部前指揮官理查德上將最近作證說：現在的戰略安全環境是一個三方核近似的現實。今天的核力量是實現我們國家戰略的最低要求。現在，我正在歷史性的壓力下執行我的戰略威懾任務，危機級別的威懾，危機威懾的動態，在我們國家的歷史上我們只見過幾次，而我正在用80年代和90年代建造的潛艇來執行。我正在做的是80年代和90年代建造的潛艇，80年代建造的空射巡航導彈，70年代建造的洲際彈道導彈，60年代建造的轟炸機，我們在互聯網之前的部分核指揮和控制，以及可以追溯到曼哈頓時代的核武器群。

NC3架構是為應對蘇聯的導彈威脅而設計的，最后一次大幅更新是在20世紀80年代。在此后的幾年里，美國一直面臨著新的核威脅，而沒有推進NC3系統以應對這些威脅。先進的技術也使NC3的要求復雜化，對系統本身造成了新的威脅。 現代化進程也延伸到天基資產和一個日益擁擠和競爭的太空領域。國家安全太空企業已經轉向調整架構和采購做法，以適應日益競爭的環境。前代理國防部長帕特里克-沙納漢在一份特許成立太空發展局的備忘錄中寫道：一個國家安全太空架構，提供阻止，或在阻止失敗時，擊敗對手行動所需的持久、有彈性、全球、低延遲的監視，是保持我們長期競爭優勢的先決條件。如果我們仍然受到傳統方法和文化的束縛，我們就無法實現這些目標，也無法與我們的對手設定的步伐相匹配。

現代化包括升級和更換衛星，以減少陳舊的設備和拆除老化的系統，為新的有效載荷配備更先進的傳感器，擴大容量，并設計系統的生存能力和彈性。需要現代化的具體系統包括各種導彈發射預警和通信衛星，包括SBIRS和AEHF。隨著開發新的星座以跟上導彈技術的步伐，更多的現代化可能包括傳感器、地面站、終端以及整個網絡的彈性、生存能力和硬化的升級。

國會預算辦公室的最新預測估計，2021-2030年要求的核現代化預算中約有15%專門用于指揮、控制、通信和預警系統。

3 下一代OPIR

SBIRS將得到補充，并最終被下一代高空持久性紅外（Next Gen OPIR）星座所取代。該星座的第一塊將包括三顆覆蓋中緯度地區的地球同步軌道衛星和兩顆覆蓋高緯度地區的極地高橢圓軌道衛星。洛克希德-馬丁公司在2018年獲得了價值29億美元的非競爭性唯一來源合同，以開發這三顆下一代OPIR地球同步衛星，后續合同為49億美元。第一顆地球同步軌道衛星計劃于2025年首次發射，而由諾斯羅普-格魯曼公司建造的第一顆極地衛星可能將于2028年發射。整個衛星群預計在2028年交付。另一項舉措，即 "未來操作彈性地面進化"（FORGE），將使該系統的地面站部分現代化，并處理來自SBIRS和下一代OPIR的數據。2023財年該系統的預算研究和開發要求為35億美元，包括地面、地球同步軌道和極地部分，預計項目總成本估計為144億美元。

2017年，前參謀長聯席會議副主席約翰-海滕將軍稱老化的SBIRS衛星為 "大的多汁目標"，指其缺乏對反衛星武器的防御能力，并批評了開發下一代替代品的時間表。這促使空軍加快了系統的開發，并整合了更多的先進功能，從更好的傳感器到彈性措施。下一代OPIR計劃對威脅有更強的彈性，這也是SBIRS星座的一個問題。據洛克希德-馬丁公司的一位代表稱，"如此規模的太空項目--包括開發兩個全新的導彈預警有效載荷--從未進展得如此之快"。

下一代OPIR星座的開發正在由兩個承包商分擔，以加強敏感的國家安全有效載荷的冗余度。例如，如果其中一個承包商出現延誤或其他問題，整個計劃中的星座不會受到影響，可以繼續按計劃進行。從有效載荷要求到架構設計，開發過程中的每一步都在處理彈性問題，空軍上校布萊恩-德納羅將下一代OPIR描述為美國綜合導彈預警、跟蹤和戰斗太空感知的基石，他說："下一代OPIR旨在提供彈性的天基全球導彈預警能力，以應對新出現的導彈和反太空威脅。"

3.1 太空開發局

太空開發局也正在開發一個在低地軌道和中地軌道上的全球高超音速和彈道導彈跟蹤層，作為其國防太空架構的一個關鍵組成部分，將與更廣泛的NC3網絡相結合。 首批8顆衛星將在第0階段發射，下一波將由28顆額外的低地軌道衛星組成，在2025年發射。 最終的目標是在低地軌道和中地軌道上的整個衛星群相互無縫連接，并能進行助推階段的導彈探測和跟蹤。 SDA最近宣布，它已經授予L3Harris和Northrop Grumman總共13億美元的合同，以開發能夠跟蹤飛行中的高超音速導彈的原型衛星。這個更大的太空導彈預警架構背后的主要動機是在較低的軌道上有衛星，能夠為高超音速導彈和滑翔機提供增強的跟蹤能力，同時也有增加冗余度的額外好處。

3.2 超AEHF

AEHF的現代化計劃包括用新的進化戰略衛星（ESS）星座來補充和取代它，這是一個空軍計劃。它將提供擴大的全球戰略和安全通信能力，以支持NC3功能。洛克希德-馬丁公司、波音公司和諾斯羅普-格魯曼公司正在為未來幾年的ESS計劃開發競爭性設計。整個ESS系統的合同預計將在2025年授予。AEHF最初打算由轉型衛星通信系統（TSAT）計劃取代，但由于成本超支和延誤，該計劃在2010年被取消，取而代之的是再發射兩顆AEHF衛星作為臨時措施。

增強型極地系統資本化工作，被設計為增強型極地系統和即將到來的極地部分之間的權宜之計，目前正在開發中，計劃于2022年發射。極地部分的4.29億美元的合同被授予諾斯羅普-格魯曼公司。

4 AEHF案例研究

通常情況下，雖然這些衛星系統的大部分技術規格都是高度機密的，但在先進極高頻（AEHF）星座上有各種公開的信息。作為MILSTAR通信星座的后繼者，該計劃始于1999年，于2001年開發，于2018年達到初始運行能力，目前由太空部隊運營和維護。六顆衛星中的第一顆于2010年發射，最后一個單元于2020年發射。其運行時間表面臨一些挫折，包括AEHF-1的技術問題導致其在軌擱淺，后來被回收，以及AEHF-4的進一步延遲。AEHF提供極高頻（EHF）上行鏈路和交叉鏈路能力以及超高頻（SHF）通信。它的容量是MILSTAR的10倍，其特點是增加了覆蓋區域。它的抗干擾有效載荷包括機載信號處理、無線電頻率設備、跨頻段的EHF/SHF通信天線，發射時質量為6,168公斤。它的加固和可生存的任務控制和終端部分由固定和移動的地面、空中和海上終端組成，有利于數據傳輸率從75 bps到8 Mbps。空軍最初對整個AEHF系統的成本估計為60億美元，而總成本則為150億美元。

4.1 挑戰和政策建議

隨著現代化進程的繼續，隨著美國在太空領域面臨越來越多的威脅，維持和發展強大的天基NC3能力有幾個挑戰。圍繞網絡安全、部隊設計和擴散、升級和威懾以及防御的問題正在推動當前的政策討論。

2022年國防戰略的特點是 "綜合威懾 "的概念--按照負責政策的國防部副部長薩沙-貝克的說法，這是 "一個與所有國家力量工具以及美國盟友和我們的伙伴合作，跨作戰領域、戰區和沖突范圍的框架"。天基資產將是美國在常規和戰略任務中繼續整合部隊和網絡能力的一個關鍵部分。"國防部長勞埃德-奧斯汀說："綜合威懾是關于使用技術、作戰概念和能力的正確組合--所有這些都以一種網絡化的方式交織在一起，它是如此可信、靈活和強大，將使任何對手暫停。綜合威懾不是依靠純粹的軍事力量來威懾對手，而是設想拉動每一個可用的影響杠桿，以達到預期的外交政策和軍事效果。

4.2 網絡安全

由于太空系統的數字性質，網絡干擾和攻擊仍然是國家安全空間企業的首要關切，事實上，"NC3復原力的許多最艱巨的挑戰在于網絡空間和外空領域的交匯處，網絡攻擊是針對基于太空的NC3資產。供應鏈上的漏洞和通過承包商的漏洞也可能為壞人或其他失敗者破壞復雜的網絡提供了機會。根據太空信息共享和分析中心（ISAC）執行主任艾琳-米勒的說法，"由于企業和政府內部使用不同的法規和要求，很難確保來自供應鏈各個層面的組件具有相同質量的網絡保護。" 一份2019年DOT&E網絡評估報告強調了這種擔憂，對NC3能力的評估結果 "向國防部最高領導層進行了通報，并導致對這一重要領域的關注度大幅提高"。

在采購方面，2021年SpaceNews的一篇專欄文章解釋了為什么網絡安全和供應鏈管理必須齊頭并進。"鑒于目前的資源限制，新的美國太空部隊的精簡，以及對敏捷性和快速采購的推動，對商業的依賴可能會增加。在這種環境下，提供數據、軟件、硬件和服務的供應商激增，給對手帶來了一系列的機會和連帶影響，這突出了立即提升網絡衛生和供應鏈風險管理（SCRM）的重要性。"

太空部隊也站在認識這些風險的最前沿，并更加注重準備應對這些風險，組建了太空三角洲6號網絡安全中隊，以及新的太空部隊基礎設施資產預評估計劃（IA-PRE），旨在 "為國防部推進當前和未來商業衛星通信采購的安全態勢"。

為了減輕這些挑戰，政府和行業應繼續關注彈性設計，在流程的每一步都關注網絡安全，并防范從研發到發射的供應鏈攔截。由于網絡反衛星行動是專家們最擔心的反太空威脅之一，在現代化進程和類似工作中為衛星有效載荷和地面站建立強大的網絡安全措施應該是一個優先事項。承包商和商業公司應確保在該過程的每一步進行網絡安全加固，以幫助減輕系統的弱點和漏洞。此外，正如2022年俄羅斯對烏克蘭商業衛星運營商Viasat的黑客攻擊所顯示的那樣，衛星地面站通常是這個系統的一個薄弱環節，在沖突中可能成為相對容易的目標。 2020年網絡空間Solarium委員會報告的一項重要建議指出：更令人擔憂的是，面對全方位的網絡威脅，美國的核威懾力以及NC3系統和NLCC項目的生存能力和復原力受到了潛在的網絡威脅。這些威脅特別令人震驚，因為它們可以破壞核威懾的穩定性，并為無意中的核戰爭創造條件。最大的風險是，正因為網絡互動發生在武裝沖突的門檻之下，網絡風險和NC3系統的結合實際上可以降低這個門檻。考慮到這一點，國會應指示國防部對NC3和NLCC企業的每一個部分進行例行評估，以確定是否遵守網絡安全的最佳做法、脆弱性和妥協的證據。

4.3 激增

此外，將太空架構設計從少數需要長時間建造、發射和定位的昂貴衛星，轉向由較小、較便宜的衛星組成的更大的星座，可以幫助提高彈性，并防止當一顆衛星受到干擾而導致整個星座被削弱的共同模式故障。這種新的基礎設施還可以包括一個精簡的發射計劃，以迅速更換損壞的衛星，并投資于空中或地面的冗余系統。由于星座的建造、發射和就位需要很長時間，許多系統在數年內都不會滿負荷運行，因此建立額外的空中、地面通信或導彈預警支持是一個重要的考慮因素。太空發展局處于這一努力的前沿，將擴散和螺旋式架構發展模式作為其國防太空架構的兩大支柱方法，允許更高的彈性，更多的靈活性，以及 "快速轉向以應對甚至先發制人地應對威脅的進展 "的能力。 此外，高級官員已經強調了擴散性部隊設計的必要性，包括前太空部隊空間作戰主管雷蒙德將軍。"我們必須轉變我們的空間架構，如果你愿意的話，從少數難以防御的精致能力轉變為一個更強大、更有彈性的架構。"

4.4 糾纏、升級和威懾

太空資產的破壞可能通過影響導彈預警和安全通信能力以及破壞關鍵的太空基礎設施而對美國的核態勢和一般部隊準備狀態產生嚴重影響。這些影響在美軍受到攻擊的沖突情況下可能被放大。如果一個對手想要破壞美國的核安全，這些特性將使天基NC3部分成為一個有吸引力的目標。

軍事衛星可以是糾纏的系統，這意味著一些衛星同時履行戰略和戰術任務。雖然糾纏的好處包括降低成本和操作上的好處，但一個令人關切的問題是，如果這些系統成為目標，可能存在意外升級的可能性。如果戰略天基NC3能力作為附帶損害受到影響，對手瞄準美國常規太空能力，試圖在常規沖突中獲得優勢，可能對美國對其核力量的信心產生不穩定的影響。 太空中可能的進攻行動的多樣性也可能影響到對某些資產的某些攻擊模式將造成升級的關切的程度。在常規沖突期間干擾兩用衛星通信可能引起不同的反應，而干擾導彈探測衛星或探測影射這些系統之一的同軌飛行器。攻擊方式和目標，以及可能發生的沖突的背景，都可能影響某些攻擊引起戰略關切的程度。然而，一些學者認為，NC3衛星的戰略和戰術功能的糾纏是對侵略行動的一種威懾，而不是一種潛在的絆腳石。敵人可能不想為戰術目的而冒險瞄準這些資產，因為有可能出現意外的升級。因此，解除糾纏可能會對威懾努力產生反作用。因此，解除糾纏可能與威懾努力背道而馳。糾纏戰略可能因此而更加可取，如果是這樣的話，也有可能減少太空中這種類型的意外升級的可能性。

此外，由于這些太空系統是核指揮和控制網絡的一部分，一些專家提議，最依賴其衛星的國家在彼此的高空衛星周圍談判 "禁止進入 "區。這種類型的國際規范或條約的建立有希望減輕威脅，盡管像美國、俄羅斯等這樣的主要核大國是否愿意加入這樣的協議是值得懷疑的。一個潛在的挑戰是，簽署該協議的國家必須愿意披露其哪些衛星執行此類操作以及它們在軌道上的位置，因為人們擔心這種信息共享會增加這些資產的脆弱性。

根據專家Ankit Panda的說法，"在2018年NPR擴大了核使用的條件之后，天基NC3資產值得特別考慮"。 在2018年的NPR中，美國 "只有在極端情況下才會考慮使用核武器，以捍衛美國、其盟友和合作伙伴的重要利益。極端情況可能包括重大的非核戰略攻擊。重大的非核戰略攻擊包括但不限于對美國、盟國或合作伙伴的平民人口或基礎設施的攻擊，以及對美國或盟國的核力量、其指揮和控制、或預警和攻擊評估能力的攻擊。" 通過將對NC3的 "非核戰略攻擊 "列入美國可能考慮使用核武器的情況清單，這發出了干擾NC3可能越界的信息。它還提出了一個問題，即哪些類型的侵略活動可以被稱為 "非核戰略攻擊"--特朗普政府從未對這一術語進行充分定義。在2022年的《國家行動計劃》中，拜登政府又恢復了奧巴馬時代更模糊的語言，只是說 "美國只有在極端情況下才會考慮使用核武器來捍衛美國或其盟國和合作伙伴的重要利益"。 長期以來的理解是，針對這些系統可能是高度升級和破壞穩定的，因此保持強大的NC3能力并保護它們不受干擾是至關重要的。

4.5 太空防御

NC3衛星也可以從被動和主動保護措施中受益。被動措施包括分解、分布和擴散的星座，創建更大的小型衛星群，執行關鍵功能。分解戰略可以幫助減輕兩用基礎設施的糾纏問題--例如，"進化的戰略SATCOM（ESS）系統將支持戰略用戶的任務，如核指揮和控制，而受保護的戰術服務（PTS）系統將支持需要高度抗干擾的戰術SATCOM用戶。這可以通過迫使對手明確它在攻擊中所針對的能力來減少無意升級的可能性"。然而，對于某些太空系統來說，分解戰略可能并不可行，也不是最佳選擇，這取決于技術或預算限制或戰略關切。當然，"對手可能無法區分用于不同任務的衛星，而且即使這種差異被披露，對手可能不相信這種區分，無論如何都會攻擊這兩個衛星。"

其他被動措施包括冗余、移動和加固的地面站，在這種情況下，衛星運行不依賴于單一的、固定的和脆弱的地面站來接收和傳輸關鍵數據，而是可以得到其他地面站或空中接收機的支持。像先進的太空態勢感知、電磁屏蔽、快速部署和重組衛星有效載荷，以及使用加密和空中封鎖系統等防御措施，是NC3太空系統保護自己免受事故或干擾的額外方式。主動的衛星防御措施可以采取干擾和欺騙、激光、以網絡攻擊為目標的反太空系統、或發射彈丸或實際扣押威脅物體的形式。雖然這些防御方案中的一些會增加衛星有效載荷的成本或重量，但這些方案的組合有可能為重要的核指揮和控制衛星提供強有力的防御。

也存在減少擁擠和有爭議的軌道環境的影響的國際選擇。創建一個強大的全球太空交通管理系統將有助于所有國家獲得強大的太空態勢感知能力，并減少意外碰撞所帶來的風險。最近的倡議也促進了圍繞負責任的太空行為建立國際規范，其最終目標是指導行為并創造一個安全和可持續的太空環境。2022年5月聯合國減少太空威脅不限成員名額工作組的第一次會議討論了這些規范，而未來的會議顯示有希望圍繞太空安全開始討論。以美國為首的暫停破壞性動能反衛星試驗最近以154比8的投票結果被采納為聯合國決議。九個國家承諾單方面暫停試驗，而中國和俄羅斯投票反對該決議，印度棄權。美國、俄羅斯、中國和印度是唯一試驗過反衛星武器的國家。這項決議可能預示著在政策選擇方面出現了一定程度的勢頭，可以努力減少太空中的風險。未來的一種可能性是，在太空中有強烈國家安全利益的國家開始談判，以談判一項禁止有目的地干擾或瞄準關鍵衛星的條約條款，包括那些參與彼此戰略力量的衛星。然而，任何這樣的外交努力必須努力實現所有國家都能同意的解決方案，并引導太空資產所固有的敏感的國家安全關切，這一點迄今已被證明具有挑戰性。

5 總結

美國核指揮和控制網絡的太空部分是一個高度復雜的系統，軌道環境的性質給其安全帶來了獨特的挑戰。這個項目的開源性質自然限制了它能回答高度敏感的國家安全基礎設施的內容，但它有望為研究人員、分析人員和政策制定者提供關于這一重要議題的資源。關于這一主題的下一階段研究應該包括以下問題：國家偵察局和其他情報界架構在NC3系統中的作用，鑒于快速變化的太空威脅環境，軍方如何在未來10-20年內改變能力和生存能力要求，如何在生存能力需求增加和由此導致的有效載荷復雜性和成本增加之間決定權衡，以及隨著其他核國家投資于他們自己的先進太空核指揮和控制資產對國際安全的潛在影響。總之，發展NC3太空項目的強大后繼者和適應新系統對于跟上快速變化和日益危險的太空環境至關重要。

基于機器的態勢感知是與我們所處的復雜世界進行有意識的智能互動的關鍵因素，無論是對單個單位、復雜的動態系統，甚至是復雜的系統簇。為了建立這種意識，需要經常收集準確和實時的情報數據，以確保及時、準確和可操作的信息。無人駕駛飛行器（UAV）和其他半自主的網絡物理系統越來越多地成為評估我們周圍世界狀況和通過監視和偵察任務收集情報所采用的機制和系統。目前，人道主義和軍事行動的技術水平仍然依賴于人類控制的飛行/資產操作，但隨著自主系統的增加，有機會將其卸載到設備本身。在本文中，我們提出了一種原則性的、可擴展的方法，用于評估各種情況下自主設備集體的相對性能。所提出的方法以無人機群為例進行說明，預計將發展成為一種通用工具，為此類集體的部署提供信息，提供從問題規格、已知約束和目標函數推斷關鍵參數值的方法。

當 "伊斯蘭國 "在2014年使用無人機（UAV）襲擊聯軍時，無人機的使用范圍迅速擴大，使弱國和非國家行為者對技術上占優勢的敵人具有不對稱的優勢。這種不對稱性導致美國防部（DOD）和國土安全部（DHS）在反無人機系統（CUAS）上花費大量資金。盡管市場密集，但許多C-UAS技術使用昂貴、笨重和高耗能的電子攻擊方法進行地對空攔截。本論文概述了當前用于C-UAS的技術，并提出了一個深度防御的框架，即使用裝備有網絡攻擊能力的機載C-UAS巡邏隊。利用空中攔截，本論文開發了一種新型的C-UAS設備，稱為可拆卸的無人機劫持器--一種低尺寸、重量和功率的C-UAS設備，旨在利用IEEE 802.11無線通信規范對商業無人機進行網絡攻擊。實驗結果顯示，可拆卸無人機劫持器重400克，耗電1瓦，價格250美元，可以攔截對手的無人機，而且沒有意外的附帶損害。這篇論文建議國防部和國土安全部使用類似于 "可拆卸無人機劫持者 "的技術，納入空中攔截以支持其C-UAS深度防御。

總結

這項工作表明，美國目前打擊無人駕駛系統的框架是不夠的，因為它缺乏打擊敵對集團的多管齊下的攻擊所需的能力。由于應對高空飛行的無人機所需的技術限制，地面的地對空導彈和其他基于地面的反無人機系統（C-UAS）技術如果作為獨立的系統使用是有缺陷的。相反，一個為空中攔截而設計的無人機網絡中隊，盡管其本身技術復雜，但提出了一種新的方法來對抗敵方的無人機。

本論文首先確定了國防部（DOD）和國土安全部（DHS）目前正在使用的C-UAS技術。然后，本論文討論了用于破壞數字通信鏈路的射頻（RF）干擾技術以及可被網絡攻擊利用的通信協議漏洞。接下來，本論文創建了一個理論框架，用于開發可附加在無人機主機上的低尺寸、低重量和低功率（SWaP）的網絡攻擊裝置。利用從現代防御行動和空中攔截中獲得的知識，本論文通過兩個假設的場景來說明無人機到無人機的攔截，其中一個水力發電設施被一個叛亂組織的無人系統攻擊。

最后，本論文進行了三個獨立的實驗，以開發一種名為 "可拆卸無人機劫持者 "的無人機對無人機攔截能力。可拆卸無人機劫持器是由樹莓派4號B型機、Alfa AWUS036ACH無線網卡和(2)18650電池構成的，它被設置為使用虛擬網絡計算（VNC）連接進行遠程訪問[1]。選擇三個商用無人機是基于它們使用IEEE 802.11無線通信標準，以及它們使用帶有預共享密鑰的WPA2加密技術所帶來的安全性。

實驗一包括在地對空和空對空操作中實地測試可拆卸無人機劫持者。同時，實驗二對可拆卸式無人機劫持器在亞冰點環境下進行了臺式測試，實驗三對可拆卸式無人機劫持器進行了熱成像[2]測試。偽證和傳輸控制協議（TCP）/同步（SYN）洪水攻擊被選為網絡攻擊技術。射頻干擾和其他電子攻擊技術方法被排除在外，因為它對在2.4GHz和5GHz頻段運行的其他系統有附帶損害。此外，射頻干擾的功耗要求太高，不適合在本論文中考慮。

為了評估針對802.11 WiFi無人機的網絡攻擊的效果，本論文在每次攻擊過程中測量了以下特征：目標的行為，目標和可拆卸無人機劫持者之間的距離，與每種攻擊方法相關的功耗，以及可拆卸無人機劫持者的熱特征。經過基線測試，首選的攻擊方法被證明是針對Parrot Bebop[3]和Skydio 2+[4]的去認證攻擊。

在第一次實驗中，盡管有適量的環境雜波，可拆卸無人機劫持者在250米外識別和減輕目標無人機造成的威脅沒有問題，導致目標在懸停模式下消耗了額外的電池電量。接下來，研究小組創造了一個場景，一個敵對的無人機攻擊了一個水力發電設施。從距離可拆卸式無人機劫持者250米處開始，以每小時15公里的速度和不斷變化的海拔高度飛行，一旦攻擊開始，目標就在距離其預定目的地80米的地方停下來。最初，目標在原地盤旋，飛回其發射點。然后，無人機在距離可拆卸無人機劫持者100米處最后一次與GCS連接的地方自行降落。在整個測試過程中，事實證明，"可拆卸無人機劫持器 "能有效地識別和減輕目標，而不會對無人機主機或周圍環境造成任何干擾。

零度以下的溫度測試表明，需要在可拆卸式無人機劫持器上安裝更好的溫度傳感器，以確保更準確的讀數。然而，即使暴露在零度以下的溫度下30分鐘，可拆卸式無人機劫持者也切斷了其目標的通信連接。為了使可拆卸式無人機劫持器能夠投入使用，需要進行加固處理，以確保該設備能夠在極端天氣環境下運行，這可能會增加SWaP要求。

在熱成像實驗中，使用FLIR A320溫度屏[5]拍攝靜態圖像，并由研究小組進行分析。靜態圖像是在操作使用前、連續操作5分鐘后和操作5分鐘后，從可拆卸式無人機劫持器的自上而下、正面和自下而上的觀察角度拍攝。熱成像實驗表明，經過五分鐘的操作，可拆卸式無人機劫持器的溫度只增加了3.3℃。

所進行的實驗證明，在將可拆卸式無人機劫持器整合到另一個空中平臺時，是非常有希望的。研究小組不僅證明了該系統將對WPA2加密的無人機起作用，而且這項研究還確定了將目前的原型發展為網絡化系統家族的方法。零度以下的實驗證明，可拆卸無人機劫持器將在多種環境下充分運作。從基線原型開發和空中實驗，到零度以下和熱能測試，可拆式無人機劫持器處于技術準備程度的第六級。這個技術準備程度是將概念發展為能力的一個重要里程碑。

在目前的形式下，可拆卸式無人機劫持器是一個可配置的 "波頓 "解決方案，可在各種平臺上使用。根據主機-無人機，可能會有系統集成方面的問題。具體來說，在運行測試期間，CPU與環境溫度的差異表明，根據主機-無人機的規格，在主機上集成時應考慮到熱特性。此外，在運行網絡攻擊時，與可拆卸式無人機劫持者的VNC連接被切斷，這使得操作者無法控制可拆卸式無人機劫持者進行故障排除。這個問題可以通過使用可拆卸式無人機劫持器上的以太網端口與嵌入式射頻模塊建立一個單獨的連接回到地面站來解決。研究小組對這一功能進行了基線測試，使用Persistent Systems MPU5[6]無線電，這對未來與其他無人駕駛飛機的系統集成很重要。

綜上所述，C-UAS市場仍處于起步階段，破壞的時機已經成熟。高性能計算機模塊越來越小，功耗越來越低，同時能力越來越強。開發C-UAS技術的公司應該重新調整他們的努力，利用高性能和低SWaP來創造更便宜，但更有能力的C-UAS設備。此外，國防部和國土安全部應該為設計空中C-UAS的低SWaP網絡攻擊系統創造要求。本論文和使用可拆卸的無人機劫持者的實驗證明，有可能對多個無人機進行空中網絡攻擊，而對他的設備影響最小。這個框架并不是要取代目前的方法，而是為了增強和提高C-UAS技術的有效性，以滿足操作環境的需要。雖然這項研究的重點是對抗消費型無人機以保護軍事基地和關鍵基礎設施，但過去兩場歐洲戰爭表明，地面短程防空系統無法與具有動能打擊能力的高空無人機相比。因此，未來的工作有很多機會來對抗消費者和政府的無人機，加強理論，并設計一個C-UAS設備的空中網絡。

提綱

盡管戰爭的性質是不變的，但技術在未來幾十年繼續發展，這意味著戰爭方式的個別特征也將改變。最值得注意的是，隨著信息技術的擴展和自主系統在未來戰場上的擴散，美國及其合作伙伴應該適應未來戰爭的發展。本論文的目的是研究目前的C-UAS技術和參謀長聯席會議（JCS）的理論，以確定哪些方面可以改進。這將為C-UAS戰略的轉變和新產品的開發提供信息，如本論文中提出的產品。

• 第2章通過分析當前和未來系統在殺傷鏈處理方面的成功或不足之處，審查了C-UAS技術的能力和局限性。這將有助于確定國防部和國土安全部在哪些方面可以重新設計其C-UAS技術的采購戰略。此外，本章還研究了當前的C-UAS理論、戰術、技術和程序（TTP）以及標準操作程序，以確定國防部可以改進其對抗無人機的戰略。

• 第3章探討了用于干擾數字通信鏈路的非動能射頻緩解措施。這一技術討論的重點是電磁（EM）波傳播、鏈路預算分析、低探測概率（LPD）和低攔截概率（LPI）原則、擴頻通信和射頻干擾原理。

• 第4章以第3章中的信息為基礎，探討利用消費型無人機上的通信協議漏洞的方法。這一章研究了開放系統互連（OSI）模型，它與數字通信的關系，以及如何開發網絡攻擊技術以提供對敵對無人機的精確攻擊。

• 第5章使用海軍陸戰隊的深度防御模式進行防御性作戰[33]，以保持進攻性思維來限制對手對第1-3組無人系統的使用[34]。本章還討論了作戰飛機如何被用作空中攔截來保衛關鍵基礎設施。此外，本章還提供了對比圖來探討當前的C-UAS架構，整合機載網絡攻擊和EW設備可能是什么樣子，以及與擬議架構相關的優點和缺點。最后，本章的結論是兩個假設場景，即叛亂團體使用無人駕駛自殺式無人機群攻擊水電設施。

• 第6章概述了第7章所使用的實驗方法、設置和數據收集方法，其中設計和建造了一個可拆卸的無人機劫持器的原型。

• 第7章描述了用于創建第5章中概述的概念的原型的實驗過程。本章進行的實驗對敵方無人機進行了拒絕服務（DoS）攻擊，該攻擊是由可拆卸無人機劫持器發射的，該劫持器連接在友方無人機上。

• 第8章是本論文的結論。對第5章提出的架構以及第7章的實驗進行了討論。本章最后提出了對未來C-UAS系統采購和理論發展的影響。

巴德學院無人機研究中心2019年12月的一項研究，確定了537個專門用于對抗無人機的系統[32]。雖然現有的反制措施已經滿足了國防部和國土安全部在2010年代末和2020年代初的需求，但它們很可能在多管齊下的攻擊中站不住腳。盡管市場密集，但每個系統都有與其使用相關的技術、社會和法律限制。此外，許多已投入使用的反措施都很昂貴和笨重，而且只會越來越笨重，因此很難采購和維持足夠的C-UAS設備來覆蓋所有潛在的攻擊載體。同時，無人機越來越便宜，越來越小，而且越來越網絡化--導致未來現有的系統可能無法抵御蜂群攻擊。這一現象正在烏克蘭與俄羅斯的戰爭中實時上演，因為烏克蘭已經利用無人機達到了破壞性的效果。也就是說，價值100萬美元的Bayraktar TB-2對俄羅斯軍隊造成了嚴重破壞，在一次空襲中摧毀了價值超過5000萬美元的地對空導彈[35]。這使得我們很容易預見這樣的情景：對手利用無人機群對美國的戰略基礎設施進行多波段、多頻率的攻擊。下一章專門概述了目前的C-UAS技術套件，并了解到目前還沒有一個明確的手段來對抗無人機群，而不會產生嚴重的意外后果。

小型無人駕駛飛機系統（sUAS）的指數式增長為美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正極大地改變著小型無人機系統的合法應用，同時也使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。如果被疏忽或魯莽的操作者控制，小型無人機系統也可能對美國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。越來越多的 sUAS 將與美國防部飛機共享天空，此外美國對手可能在美國防部設施上空運行，在此環境下美國防部必須保護和保衛人員、設施和資產。

為了應對這一挑戰，美國防部最初強調部署和使用政府和商業建造的物資，以解決無人機系統帶來的直接風險；然而，這導致了許多非整合的、多余的解決方案。雖然最初的方法解決了近期的需求，但它也帶來了挑戰，使美國防部跟上不斷變化問題的能力變得復雜。為了應對這些挑戰，美國防部需要一個全局性的戰略來應對無人機系統的危害和威脅。

2019年11月，美國防部長指定陸軍部長（SECARMY）為國防部反小型無人機系統（C-sUAS，無人機1、2、3組）的執行機構（EA）。作為執行機構，SECARMY建立了C-sUAS聯合辦公室（JCO），該辦公室將領導、同步和指導C-sUAS活動，以促進整個部門的統一努力。

美國防部的C-sUAS戰略提供了一個框架，以解決國土、東道國和應急地點的sUAS從危險到威脅的全過程。國防部的利益相關者將合作實現三個戰略目標：（1）通過創新和合作加強聯合部隊，以保護國土、東道國和應急地點的國防部人員、資產和設施；（2）開發物資和非物資解決方案，以促進國防部任務的安全和可靠執行，并剝奪對手阻礙實現目標的能力；以及（3）建立和擴大美國與盟友和合作伙伴的關系，保護其在國內外的利益。

美國防部將通過重點關注三個方面的工作來實現這些目標：準備好部隊；保衛部隊；和建立團隊。為了準備好部隊，國防部將最大限度地提高現有的C-sUAS能力，并使用基于風險的方法來指導高效和快速地開發一套物質和非物質解決方案，以滿足新的需求。為了保衛部隊，國防部將協調以DOTMLPF-P考慮為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和理論。最后，作為全球首選的軍事伙伴，國防部將通過利用其現有的關系來建設團隊，建立新的伙伴關系，并擴大信息共享，以應對新的挑戰。

通過實施這一戰略，美國防部將成功地應對在美國本土、東道國和應急地點出現的無人機系統威脅所帶來的挑戰。在這些不同操作環境中的指揮官將擁有他們需要的解決方案，以保護國防部人員、設施、資產和任務免受當前和未來的無人機系統威脅。

低速、慢速和小型 (LSS) 飛行平臺的普及給國防和安全機構帶來了新的快速增長的威脅。因此，必須設計防御系統以應對此類威脅。現代作戰準備基于在高保真模擬器上進行的適當人員培訓。本報告的目的是考慮到各種商用 LSS 飛行器，并從不同的角度定義 LSS 模型，以便模型可用于LSS 系統相關的分析和設計方面，及用于抵制LSS系統（包括探測和中和）、作戰訓練。在北約成員國之間提升 LSS 能力并將 LSS 擴展到現有分類的能力被認為是有用和有益的。

【報告概要】

在安全受到威脅的背景下考慮小型無人機系統 (sUAS)（通常稱為無人機）時，從物理和動態的角度進行建模和仿真遇到了一些獨特的挑戰和機遇。

無人機的參數化定義包括以下幾類:

• 類型學，指的是無人機可以飛行的模式;
• 用于制造無人機的材料;
• 飛行性能;
• 螺旋槳種類;
• 分類;
• 導航系統;
• 遠程控制器特性(如果有);
• 有效載荷，考慮自身傳感器和可能的危險；
• 通信系統。

描述無人機飛行動力學的分析模型在數學上應該是合理的，因為任務能力在很大程度上取決于車輛配置和行為。

考慮到剛體在空間中的運動動力學需要一個固定在剛體本身的參考系來進行合適的力學描述，并做出一些假設（例如，剛體模型、靜止大氣和無擾動、對稱機身和作用力在重心處），可以為 sUAV 的飛行動力學開發牛頓-歐拉方程。

在檢測 sUAS 時，必須考慮幾個現象，例如可見波范圍內外的反射、射頻、聲學以及相關技術，如被動和主動成像和檢測。

由于需要多個傳感器檢測 sUAS，因此有必要考慮識別的參數以便針對不同類型的檢測器對特征進行建模。此外，對多個傳感器的依賴還需要在信息融合和集成學習方面取得進步，以確保從完整的態勢感知中獲得可操作的情報。

無人機可探測性專家會議表明了對雷達特征以及不同無人機、雷達和場景的聲學特征進行建模的可能性，以補充實驗數據并幫助開發跟蹤、分類和態勢感知算法。此外，雷達場景模擬的適用性及其在目標建模和特征提取中的潛在用途已得到證實。

然而，由于市場上無人機的復雜性和可變性以及它們的不斷增強，就其物理和動態特性對無人機簽名進行清晰的建模似乎并不容易。

sUAS 特性的復雜性和可變性使得很難完成定義適合在仿真系統中使用的模型的任務。這是由于無人機本身的幾個參數，以及考慮到無人機的所有機動能力和特性所需的飛行動力學方程的復雜性。

此外，sUAS 特性的復雜性和可變性不允許定義用于評估相關特征的參數模型。

圖1 無人機類別與其他類別/參數的關系（part 1）

圖2 無人機類別與其他類別/參數的關系（part 2）

圖3 參考坐標系

【報告目錄】