便攜式防空系統（MANPADS）是一種短程肩扛式地對空導彈系統。本參考文件介紹了單兵攜帶防空系統的殺傷鏈，采用發現、固定、瞄準、跟蹤、交戰、評估（F2T2EA）序列。然后，我們將重點放在該序列的 “發現和固定 ”部分，并研究與飛機探測和跟蹤目標有關的人類性能文獻。文獻顯示，飛機的探測結果可能會有很大差異，并取決于環境（如地形、云層、陽光）、目標（如飛機大小、速度、縱橫角）和觀察者因素（如視覺敏銳度、對比敏感度）。不過，在理想條件下，以往的實地試驗表明，可以在距離觀察者 10-12 千米之間目測到飛機。有關追逐跟蹤（如瞄準飛機）的文獻表明，人類的跟蹤就像一個伺服控制器，主要接收來自實時視覺反饋和被跟蹤目標路徑心理模型的輸入。因此，干擾這些輸入（如明亮的頻閃燈或激光）會影響炮手跟蹤目標的能力。最后，我們將探討有關跟蹤干擾方法的研究。

要制定規避、反制或擊潰MANPADS的戰術，就必須了解與使用MANPADS有關的人體性能問題。本文件回顧了與 MANPADS 殺傷鏈初始部分相關的人體性能問題。回顧了與跟蹤飛機有關的飛機探測文獻和目標跟蹤文獻。

MANPADS 殺傷鏈

殺傷鏈或目標接戰序列定義了發現和接戰目標所需的一般事件序列。動態目標定位中最常見的模式是發現、固定、跟蹤、瞄準、交戰、評估（F2T2EA）模式，該模式將殺傷鏈定義為六個主要步驟（美國空軍，2021 年）：

1.發現--探測目標的行為。

2.固定--識別目標、目標位置并確定應與目標交戰的過程。

3.跟蹤--對確定的目標保持連續跟蹤的行為。

4.目標--確定交戰的預期效果、目標定位解決方案以及獲得交戰批準的行為。

5.接戰--確認目標為敵對目標、向適當武器發送接戰命令并發射武器的過程。

6.評估--根據預定標準驗證交戰效果的過程。

MANPADS 的殺傷鏈與 F2T2EA 的一般步驟相同，但過程具有一定的靈活性（圖 2）。根據情況、武器以及系統是由團隊操作還是由個人操作，可能會出現一些變化。一些步驟可以是連續的（如跟蹤），而另一些步驟可以是重復的（如固定目標）。此外，負責每項任務的操作員也因不同因素而異。單獨的炮手將負責殺傷鏈的所有方面。在一個典型的雙人小組中，組長主要負責 “查找 ”和 “固定 ”步驟（福布斯，2022 年；美國海軍陸戰隊，2011 年）。組長還可能在整個過程中為炮手提供指導，尤其是在目標階段（Center for Army Lessons Learned，2018）。如果操作員作為綜合防空的一部分開展工作，那么許多步驟可能由上級指揮部執行。

從人類性能的角度來看，最重要的事件是殺傷鏈的初始步驟，即發現、固定和跟蹤，而隨后的步驟則更依賴于武器。也就是說，這些初始步驟在很大程度上取決于人的感知和認知能力。因此，這些步驟會受到各種因素的影響，這些因素會增強或削弱感知能力和協同能力。有兩個相關的研究領域專門探討了這些因素對殺傷鏈初始步驟--飛機探測和目標跟蹤--的影響。在下一節中，我們將回顧與發現、固定和跟蹤任務相關的文獻，首先是飛機探測，然后是目標跟蹤。

信息戰（IW）和類似的專業術語在美軍或美國空軍（USAF）的詞匯中并不陌生。然而，即使美國空軍高層領導數十年前就已認識到 IW 對空中作戰的各個方面都至關重要，但美國空軍實施 IW 的方法仍然相對較新。第十六航空隊（16 AF）是美國空軍當代 IW 方法的核心，該部隊成立多年后，美國空軍仍在為 IW 的可操作性而苦苦掙扎。正是在這種背景下，蘭德公司的研究人員承擔了為美國空軍如何組織、訓練和裝備 IW 提出可行建議的任務。

首先，研究人員描述了美國空軍目前的戰爭預警狀況，并將其與其他軍種和聯合部隊組織所采取的方法進行了比較。接著，他們確定了美國空軍 IW 團體應支持的角色、任務和使命方面的政策、期望和現實之間存在的差距。為了彌補這些差距，他們為美國空軍的 IW 部隊編制開發了替代構型，并描述了這些構型的優勢和挑戰。最后，研究人員提出了與這些概念相關的組織、訓練和裝備要求。本報告介紹了研究情況，并提出了主要發現和建議。

主要結論

• 人們普遍認為，美國空軍領導層沒有將綜合預警列為優先事項。
• 缺乏明確、正式的要求一直被認為是美國空軍實施綜合預警的最大障礙之一。
• 美國空軍的 IW 在組織和學科方面仍然是高度分散的。
• 眾多的 IW 組織，加上未確定的角色和責任，造成了混亂和挫折感。
• 所有飛行員都需要在某些時候考慮綜合預警問題，而某些飛行員則需要在所有時間考慮綜合預警問題。
• 盡管幾乎沒有接受過專門的戰爭遺留爆炸物培訓，但戰爭遺留爆炸物學科的飛行員仍被期望作為戰爭遺留爆炸物部隊開展行動。
• 戰爭遺留爆炸物人員積極性很高，對任務充滿熱情，他們將自己的時間都投入到任務的推進中，但他們認識到，這樣做幾乎不會帶來職業發展。
• 在 16 個空軍基地，雄心勃勃的 IW 人員除了履行正常職責外，還在開展創新性的 IW 活動，但現有資源無法擴大這些活動的規模。
• 一些人認為當局是制約因素，但幾乎所有人員都認為規避風險和嚴格控制權限是執行國際預警的核心挑戰。
• 美國空軍的 IW 社區并沒有一個專門負責 IW 的高級領導者來領導，他也沒有必要的權力來爭取資源。
• 美國空軍的綜合預警工作幾乎沒有正式的流程，因此造成了部隊內部、部隊之間以及美國空軍與部隊之間的摩擦。

建議

• 發布可操作的指南，確保將 IW 納入美國空軍制定具體要求的流程。
• 利用政治資本和軍種領導者的時間來展示 IW 的優先性，并在美國空軍和聯合部隊中實現 IW 的社會化。
• 重組 IW 部隊編制，著眼于解決已確定的程序、文化和結構性挑戰。
• 明確美國空軍所有 IW 組織的角色和職責。
• 根據 IW 的具體要求和文化特性開發課程，并根據所需的 IW 熟練程度進行分級。
• 利用他人的經驗教訓，制定衡量綜合預警效果的框架。
• 將現實的 IW 能力和任務納入全美國空軍的演習中，即使導致 “任務失敗”，也要允許參與者進行掙扎。
• 考慮建立正式的籌資機制，美國空軍人員可利用該機制申請和倡導更充足、更穩定的資源。
• 考慮系統地編列從競爭到沖突的所有 IW 任務所需的 IW 授權和許可。
• 通過路演、領導人演講和其他引人注目的活動，向所有空軍人員展示綜合預警的效用。
• 考慮為美國空軍所有 IW 人員建立一個全面的職業發展途徑，在建立一支美國空軍 IW 專業骨干隊伍的同時，保持學科的專業化。
• 設計專門針對戰爭遺留爆炸物的新的美國空軍內部流程，而不是改造那些為動能任務設計的流程。
• 在美國空軍內部建立綜合預警流程并使之常規化，以便美國空軍綜合預警人員能夠融入既定的聯合結構和流程。
• 在美國空軍各參謀部指定空中參謀部負責 IW。

據美國聯邦航空局（FAA）稱，無人機是美國增長最快的航空領域。遠程識別（Remote ID ）的目的是幫助聯邦航空局、執法部門和其他部門找到以不安全的方式或在被禁止的地方飛行的無人機操作員。FAA 負責將無人機安全納入國家空域，并指出 Remote ID 可以幫助實現先進的無人機操作。美國政府問責局被要求審查與 Remote ID 相關的問題。本報告評估了（1）遠程身份識別的潛在執法用途和相關聯邦支持，以及（2）聯邦航空局和利益相關方在使用遠程身份識別進行高級操作時可能面臨的任何限制。GAO 審查了 FAA 有關遠程身份識別的指南和資源。GAO 還審查了 FAA 將無人機納入國家領空的計劃。美國政府問責局采訪了聯邦航空局和國土安全部的官員，以及執法部門和行業利益相關者，這些利益相關者是美國政府問責局根據他們在聯邦航空局委員會的參與情況和其他利益相關者的意見確定的。GAO 還審查了國土安全部開發遠程身份識別應用程序的工作。

美國政府問責局向聯邦航空局提出三項建議，向國土安全部提出一項建議，包括聯邦航空局開發資源，幫助部落、州和地方執法部門使用 Remote ID；聯邦航空局制定 Remote ID 界面的計劃和時間表；聯邦航空局確定提供有關無人機位置和狀態的實時聯網數據的前進道路；國土安全部制定 Remote ID 應用程序的計劃和時間表。聯邦航空局和國土安全部同意我們的建議。

聯邦航空管理局 (FAA) 通常要求無人機配備 Remote ID 技術，FAA 將其描述為 “數字牌照”。執法部門可以使用 Remote ID 來識別和調查未經授權的無人機活動，這與 FAA 希望 Remote ID 幫助執法部門的目標是一致的。然而，美國政府問責局發現，聯邦航空局支持部落、州和地方執法部門使用該技術的資源有限。美國政府問責局聯系的部落、州和地方執法機構對遠程身份識別或如何在調查中使用遠程身份識別知之甚少。開發此類資源可以幫助 FAA 更好地支持執法部門使用 Remote ID 的能力。

此外，聯邦航空局正在開發一個接口，向執法部門提供 Remote ID 中的無人機注冊信息，但沒有發布該接口的計劃或時間表。與此同時，國土安全部（DHS）也在為執法部門開發一個可與 FAA 界面連接的應用程序，但國土安全部同樣沒有發布該應用程序的計劃或時間表。因此，執法部門在獲取跟蹤和調查未經授權的無人機活動所需的實時信息方面可能會繼續遇到延誤。

美國聯邦航空局官員和利益相關者指出，使用當前的遠程識別技術來實現先進的無人機操作（如交通管理）存在局限性。聯邦航空局的規定要求無人機使用基于廣播的 Remote ID 技術，如 Wi-Fi 和藍牙來傳輸其位置。然而，商業無人機利益相關者告訴美國政府問責局，基于廣播的信號不足以提供高級操作所需的無人機位置和狀態的實時網絡數據。FAA 表示，它希望業界在繼續傳輸所需的基于廣播的 Remote ID 信號的同時，也能為 Remote ID 尋求網絡技術，如蜂窩技術。不過，代表一家商用無人機集團的利益相關方表示，由于信號干擾等實際限制，業界普遍缺乏開發基于網絡的遠程身份識別技術和所需的廣播方式的意愿。FAA 官員表示，未來 FAA 可能會開始評估還能開發哪些技術。如果 FAA 不對這些問題進行評估并確定前進的道路，那么 FAA 將無人機納入國家空域的進展可能會面臨風險。

圖：在國家空域系統內使用無人機的實例

美空軍在發展先進能力以應對未來威脅的同時，還面臨著對現有飛機進行現代化改造的艱難抉擇。其中一個決定就是是否升級或剝離 32 架稱為 Block 20 的 F-22 飛機。空軍尚未將這些飛機升級到與其 150 架 Block 30/35 飛機（F-22 機隊的現代化部分）相同的水平。空軍 2023 財年的預算提案包括撤資 Block 20，目的是將節省下來的資金用于開發新型飛機。

聯邦法律規定，在 2028 財年之前，空軍不得剝離這些飛機。聯邦法律還規定，美國政府問責局（GAO）應評估與飛機升級有關的問題。本報告討論了空軍在多大程度上（1）擁有足夠的信息來提議廢除禁止剝離 Block 20 飛機的禁令，（2）擁有足夠的信息來支持升級 Block 20 飛機，以及（3）擁有指導來為其剝離決定提供信息。

為開展這項工作，美國政府問責局審查了空軍立法提案、成本和進度估算以及其他相關文件。GAO 還采訪了空軍官員和 F-22 承包商代表。

美空軍決定剝離部分主要用于訓練的老舊 F-22 飛機--稱為 Block 20。空軍向國會提議剝離Block 20，但沒有記錄關鍵因素，如訓練、任務能力和測試，以便為該決定提供依據。

• 美空軍沒有記錄在沒有Block 20飛機的情況下如何進行F-22訓練或測試--目前Block 20的功能。空軍也未說明如果使用可執行任務的 Block 30/35 型飛機而不是 Block 20 型飛機進行訓練或測試，作戰單元可能面臨的挑戰。

• 美空軍表示，撤資后不飛行 Block 20 型飛機將節省費用。然而，這些節省并沒有考慮到其他費用，例如為彌補飛機減少而增加的運營維護費用。

美空軍還獲得了關于可能升級而不是剝離 Block 20 飛機的有限信息。空軍從 F-22 主承包商處收集了將 Block 20 升級到機隊更現代化的 Block 30/35 水平的名義估算。承包商估計升級至少需要 33 億美元，大約需要 15 年才能完成，但沒有提供支持數據。空軍認為這些信息足以滿足其目的。如果沒有更好的證據證明剝離或升級 F-22 Block 20 飛機的潛在影響，國會可能無法在充分知情的情況下就空軍建議的優劣做出決定。

最后，美空軍沒有指導文件，無法向國會提供有關其飛機撤資決定的信息。空軍之前的一次飛機撤資行動沒有向國會提供足夠的細節，說明影響該決定的因素。美國審計總署在2016年建議國防部制定撤資指南，以幫助確保包括國會在內的高級領導層獲得高質量的信息。空軍沒有同意，并表示已經有了預算指南。然而，美國審計總署對空軍預算指南的審查發現，該指南并未涉及向國會提供足夠數據以做出知情撤資決定的問題。

大多數軍事大國--無論是單獨還是合作--都在設計基于新一代有人駕駛戰斗機和無人駕駛飛機系統協同作戰的未來空戰系統。

這一領域的標準制定者以美國為首。經過多年，美國空軍（USAF）和美國海軍（USN）現在正集中精力在中期內發展大量的協同作戰飛機（CCA），以增加其作戰飛機機隊的深度，因為他們認為機隊已經縮減到無法對抗大國行動的水平。目前的概念是 "負擔得起的規模"，即在控制成本的前提下增加規模性。這些 CCA 將被整合到美國空軍和海軍的下一代空中主導（NGAD）系統中。這一龐大的協同作戰體系結構所涉及的首要任務是對空作戰，實現空中優勢（即定位和壓制敵方防空系統--SEAD），但美國空軍為 CCA 設想了 "100 種角色"（攔截、CAS、通信中繼）。盡管如此，關于如何權衡這些系統的成本和作戰性能的辯論仍在繼續。

美國人目前正在研制陸基、大部分可回收的飛機，其基礎是 Kratos XQ-58、GA-ASI 的 Gambit 系列或波音公司的 MQ-28 幽靈蝙蝠，但尚不確定這些系統是否能勝任這一任務。盡管如此，此類系統很可能會成為 CCA 初期增量的主力，并在中期內轉化為美國空軍采購至少一千個單元，與 F-35 和 NGAD 戰斗機組成有人-無人聯隊（MUM-T）。雖然所使用的平臺將取決于所需的性能水平，但似乎可以肯定的是，這些系統將基于模塊化開放式架構和 Skyborg 人工智能系統（其開發工作已經完成）。美國人也在開發無人駕駛空射飛行器（如美國國防部高級研究計劃局的 "長槍 "計劃）。洛克希德-馬丁公司的設計和米切爾研究所的兵棋推演表明，美國最終很可能會確定一系列性能各異的 CCA，有些是消耗型，有些是可回收型，發射方案多種多樣，其中包括少量 "精致 "的可回收系統--高度復雜的無人情報平臺或無人戰斗飛行器（UCAV）。參與米切爾研究所幾項對空作戰任務研究的專家贊成在作戰初期大量使用消耗性 CCA，用于誘餌、ISR、協同空戰和通信中繼，先于第五代戰斗機飛行，一旦敵方能力被削弱，再使用更先進的可回收 CCA，以擴大友軍系統的覆蓋范圍。他們沒有使用現有的 UCAV 解決方案。

許多國家正在效仿美國的做法，盡管資源更為有限：

• 英國正在與 BAE 系統公司合作，結合 "暴風雪 "全球空中作戰計劃 (GCAP)，開發遙控解決方案--輕型和重型兩類陸基可回收遙控飛機，提供不同的先進程度。

• 澳大利亞正與波音公司合作研制 MQ-28 "幽靈蝙蝠"，其概念與美國的 CCA 相似。澳大利亞的這一模型也啟發了韓國人，他們正在研制一種忠誠的僚機無人機，以配合其先進版本的 KF-21 Boramea 戰斗機。

• 在美國的支持下，日本也正在研發一種能夠在 2030 年代與其未來的 F-X 戰斗機配合使用的遙控無人機。

• 在戰略競爭對手中，俄羅斯的情況最為不確定。莫斯科正在研制 UCAV 型忠誠僚機，如 S-70 Okhotnik 和 Grom，但西方的制裁和推進解決方案的缺乏大大減緩了這些項目的進展。

• 中國的情況要好得多，在各種無人機中，中國正在開發一系列協同作戰系統，與有人駕駛戰斗機，特別是殲-20 戰斗機一起以 MUM-T 模式作戰：飛鴻 FH-95 渦輪螺旋槳 ISR 和電子戰無人機以及 FH-97 戰斗無人機，與可回收的美國 CCA 設計相似。

• 印度也在開發自己的系統體系，即印度斯坦航空有限公司的 "戰斗空中聯合系統"（CATS），包括作為 "母機 "的 "泰賈斯 "有人駕駛戰斗機和幾種遙控飛機，特別是與 MQ-28 和 XQ-58 非常相似的 "勇士"（CATS Warrior）、可回收巡航導彈型遙控飛機 "獵人"（CATS Hunter）和 ALFA 漂浮彈藥。

• 土耳其已經建立了廣泛依賴無人機的空中力量模式，既用于 DITB，也用于彌補其作戰飛機項目的問題，土耳其還在尋求開發自己的 MUM-T 遙控技術模塊，以及未來的 F-X Kaan 戰斗機： Bayraktar 公司的超音速 Kizilelma UCAV、Anka-3 隱身無人機、Super Simsek 消耗型無人機和土耳其航空航天公司的自主僚機概念。

注意到，對于大多數空軍來說，開發無人飛行器技術構件和 MUM-T 系統是為了滿足彌補常規作戰飛機數量不足的迫切需要，而造成這種不足的原因可能是多方面的。

對于未來空中作戰系統（FCAS）及其協同作戰飛機系統，可以得出哪些結論？在許多方面，法國的情況與上述幾個國家相似。誠然，考慮到多年期 LPM 軍費法案所確定的趨勢，法國未來的空中力量應受益于多種能力的進步，包括下一代戰斗機（NGF），它提供了新一代戰斗機的所有附加值，在未來戰場上不可或缺。盡管如此，RCs 面臨的首要挑戰是糾正空中力量深度不足的問題，隨著越來越多的國家實施 IADS（綜合防空系統）升級，或者美國的保證變得越來越不確定，這一問題可能會繼續惡化，并將變得越來越棘手。這種衰退的后果是眾所周知的：它影響到滿足各種戰略職能要求的能力；更具體地說，在干預方面，它使減員難以為繼，減少了可供選擇的行動范圍，并使其無法保持永久態勢，如動態瞄準。

除了深度問題，遙控飛行器還能從質量上提高空中作戰力量的能力：通過提供 "替身 "能力（可在敵方系統的交戰范圍內使用），它們能提高空中力量的穿透力；它們能使情報和交戰/作戰能力分散和分解，使后者更具彈性，并改善空間和時間覆蓋。發射解決方案的多樣性是真正意義上的多領域，增強了空中力量的靈活性和可用性。

在許多方面，空中客車公司和 MBDA 公司的想法與美國專家的想法（上述米切爾研究所的工作突出表明了這一點）在 FCAS 體系結構的框架內趨向于相當類似的解決方案類型，而 FCAS 體系結構與美國 NGAD 體系結構的順序相同。這適用于通過混合使用可消耗或可回收系統，提供各種發射解決方案來降低 "單位效應成本 "的需要。在實施這些系統之前，必須滿足一些條件。這些條件包括：確定作戰性能與成本之間的權衡、開發特定設備和彈藥的必要性、不可或缺的連接架構，以及載人平臺（其乘員必須管理這些遙控任務）和飛行器本身的自主解決方案。這些飛行器的自主性必須遵守非常嚴格的交戰規則。這些無人機的行動可以在兩個層面上進行管理：當然是在任務領導者層面上，這也是最常見的設想（因此有了忠誠僚機的概念），但也有可能在戰斗管理指揮與控制（BMC2）功能層面上進行管理，而這一功能本身將越來越分散。美國人強調，在這些交戰規則范圍內賦予無人駕駛飛機的自主程度以及對其行動的管理水平是可變和相互依存的。特別是，它們將取決于作戰環境，包括可能在不同程度上斷開、間歇、有限（DIL）的電磁環境，這將影響作為系統之系統的連接組織的作戰云的運作。

從作戰角度看，這些 RC 可以改變所有任務的執行情況，包括以下方面：

• 在情報功能方面，提供穿透性傳感器網絡，大大擴展了 ISR 系統的覆蓋范圍；

• 在反空領域，通過與駐扎在遠離前線的戰斗機合作，提供遠程誘餌、干擾、瞄準和交戰能力，一方面可以采取必要的迷惑和飽和行動，使敵方綜合防空系統失明和瓦解（通過 SEAD 和戰斗機掃射）；另一方面，可以建立動態瞄準能力，在半隱蔽環境中長時間持續開展 SEAD 工作；

• 在進攻性反陸（OCL）領域，通過在戰役開始時增加穿透力，然后在較長時間內保持對大片區域的覆蓋，實現攔截動態目標能力的倍增，這對于提高近距離空中支援的可用性也是必要的；

• 提供先進的傳感器網絡和傳輸中繼器，以擴大作戰管理 C2（BMC2）功能的范圍并增強其穩定性。

總之，在未來空戰中，RC 不乏潛在用途，可以重新創造美國人所談論的、歐洲所急需的 "負擔得起的大規模"。然而，如果要充分挖掘這些系統的潛力，還需要克服許多挑戰。

在看來，必須研究這些系統相對于有人駕駛戰斗機的效率。這種效率取決于一種微妙的妥協：一方面，如果要獲得足夠的數量，這些機器必須保持其消耗性；另一方面，性能和可靠性閾值--考慮到需要預測與綜合防空系統（IADS）的對抗等問題，這種妥協就更難找到了，因為綜合防空系統（IADS）已轉變為飽和狀態。其次，RC 的使用概念必須基于出色的多領域整合，以優化協同作用。這就提出了實施這些無人機的部隊的 C2 靈活性問題，以及 FCAS、NGAD、GCAP 和其他系統之間的多國互操作性問題。就技術資源而言，其前提是戰斗云確實按計劃發展。在這方面，雖然 MUM-T 的建設將部分基于現有技術，例如在連接方面，但它也基于尚待證明的技術前提，特別是在人工智能領域，尤其是管理任務的載人平臺。

正如已經進行或計劃進行的演示所幸運地表明的那樣，這些不同的條件自然支持盡快開始對駐地協調員和作戰云進行漸進式開發，以便為這些多重挑戰的具體解決方案開辟道路。

美國海軍陸戰隊（USMC）正在通過其垂直起降（VTOL）飛機計劃投資航空技術，以增強任務優勢和戰爭主導權。美國海軍陸戰隊的一項計劃舉措是從未來的載人 VTOL 飛機上發射無人機系統 (UAS)，以執行混合（載人和無人）協作任務。這種混合 VTOL-UAS 能力將支持美國海軍陸戰隊的情報、監視和偵察 (ISR)、電子戰 (EW)、通信中繼和空對地動能打擊任務。

該畢業設計項目通過基于模型的系統工程分析、協同設計相互依存性分析以及建模和模擬實驗，研究了未來混合 VTOL-UAS 能力所涉及的復雜人機交互。頂點項目重點關注打擊協調和偵察（SCAR）任務，其中涉及載人 VTOL 平臺、VTOL 發射無人機系統和地面控制站（GCS）。該項目提出了系統要求和架構、概念設計，以及對未來 VTOL 能力的人機協作方面的實驗見解。

主要發現是，無人機系統擁有高水平的數字自動化，并與其人類伙伴有機地共享，這也意味著人類的計劃和執行必須以數字方式捕獲。這確保了合作伙伴之間能夠相互觀察、預測和指導，從而建立信任。第二個發現是，整個團隊需要一個安全冗余的主要、備用、應急和緊急（PACE）通信計劃，以支持彈性任務規劃、執行和任務后分析。最后，這項研究證明了使用網絡模擬器探索、評估和衡量人機協作效率的有效性。

研究建議美國海軍陸戰隊采取一項戰略，采購能夠進行自然語言處理、任務評估和政策更新協議的高級自主無人機系統。接下來，在使用 VTOL 和 UAS 時，繼續使用相同的技術對 USMC 的其他任務集進行評估。最后，進行更多分布式模擬實驗和評估。

圖：美海軍正在開發未來垂直升降（海上打擊）系統，以執行獨特的海上任務，主要從水面戰斗艦艇（DDGs、FFGs、LCS）執行任務。

在這份科學報告中，研究了一個導彈防御的問題，其中有異質的來襲再入飛行器（RVs）。也就是說，這些再入飛行器由不同類型的導彈組成。防御系統利用也是導彈的攔截器來試圖攔截再入飛行器。我們建議，在有異質RV的簡單交戰場景中，防衛方可以使用最佳最后交戰機會（SLS-OLEO）的射擊戰術來優化其在最后交戰機會中的突襲否定概率（PRA）。為了優化這種方法，我們利用天體動力學、帶約束的微積分、微擾理論、動態規劃和生成函數以及PRA的凹特性來比較各種射擊戰術。這種方法使我們能夠確定針對RV的攔截器的最佳分配，使PRA最大化。此外，我們還考慮了PRA如何有助于綜合系統有效性的概率（PISE），這反過來又決定了彈道導彈防御系統（BMDS）的全球有效性。原則上，該方法一般適用于導彈。然而，我們確定交戰機會數量的方式是基于彈道導彈的。

對國防和安全的意義

在導彈防御方面，至關重要的是，防務部門要消除來襲的RV，以保護其資產和人口。眾所周知，有一種基于RVs數量、攔截器數量及其特性（如單發殺傷概率（SSBK）和交戰機會數量）的發射策略，可以最大限度地提高突襲否定的概率，即PRA。然而，當來襲的RV由不同類型的導彈組成時，這樣的策略需要修改，因為現在的情況更復雜了。我們表明，用本報告所制定的策略仍有可能使PRA最大化。這一點很重要，因為最大化PRA意味著最大限度地挽救人口中的生命數量。

引言

對防空的作戰分析可以追溯到1930年代（Kirby和Capey[1]）。從那時起，防空研究有了很大進展，特別是在導彈防御領域。目前關于彈道導彈防御系統（BMDS）的文獻的特點是，分析集中在整個系統的孤立方面。具體來說，有關于理論發射理論（Soland [2]）、射-看-射戰術（Wilkening [3]）、命中評估（Weiner等人，[4]）、軌道力學（Cranford [5]）和綜合概率模型，如綜合系統有效性概率（PISE）（Boeing Co [6]）的研究。相比之下，本科學報告側重于突襲湮滅概率（PRA），它是PISE的一個核心組成部分，也是BMDS有效性的一個關鍵決定因素。

為了證明PRA的重要性，我們在涉及異質再入飛行器（RVs）的交戰場景中比較了三種發射戰術。在對結果進行嚴格的比較后，我們說明，雖然 "射擊-觀察-射擊與最佳最后交戰機會"（SLS-OLEO）沒有產生最大的PRA，但它在一個簡單的交戰場景中提出了最實際有效的PRA。也就是說，我們并不假定來襲的RV的數量是完全已知的。我們還探討了是什么使PISE成為BMDS框架的一個重要組成部分，并提出了兩個可以提高PISE的戰術。我們相信，作戰研究界的成員將能夠利用這些發現來評估BMDS的全球有效性。

為了幫助關注這個問題，我們定義了一個由五個異質再入飛行器（RVs）和二十個攔截器組成的例子情景，（Wilkening [3]）。這個場景當然不是一個飽和的場景，即RV的數量超過了攔截器的庫存，正如（Dou等人，[7]）所調查的。由于彈道導彈防御（BMD）的復雜性，有些特點和方法我們無法在本報告中涉及或深入分析。與其他研究相比，我們的視角是單面的（僅是防御），而不是雙面的（防御和進攻，Brown等人，[8]；兩階段博弈，Hausken和Zhuang[9]）。我們的研究也主要限于地基攔截器（GBI），而不是其他發射平臺，如閑逛的飛機（Burk等人，[10]）。我們不考慮誘餌（Washburn[11]）。我們注意到，BMD也可以使用基于代理的模擬（Garrett等人，[12]和Holland等人，[13]），或使用馬爾科夫鏈（Menq等人，[14]）進行建模。Park和Rothrock[15]研究了在導彈防御中框定人類主體的效果。實時威脅評估和武器分配（TEWA）的細節可以用3維穩定的婚姻算法來建模（Naseem等人，[16]）。針對一系列RV的防御性武器的最佳組合可以用線性編程來建模（Beare [17]）。盡管有這些假設和簡化，我們相信我們的方法為理解BMD提供了一個簡單的方法，同時也為評估BMDS的有效性提供了一個直接和統一的方法。

本文的組織結構如下： 第2節描述了交戰機會的數量；第3節介紹了三種已知的可用于對付相同（同質）RV的發射戰術；第4節擴展了一些用于異質RV的發射戰術，并提出了一種新的戰術；第5節描述了PRA的凹性；第6節利用凹性來確定全球最佳PRA；第7節說明了有效性的措施；第8節討論了PISE和改進它的方法；我們在第9節中得出結論。

本文是2014年發表的另一篇論文（Nguyen [18]）的完整和擴展技術版本，增加了一些新的內容，包括考慮新的射擊戰術（在第4節）、PRA的凹性（在第5節）和全局最優PRA（在第6節）。雖然第7節中的有效性措施在現有文獻中可以獲得，但我們根據第4、5和6節的新穎性來確定這些有效性措施。據我們所知，在文獻中還沒有任何論文將所有這些方面的內容匯集在一篇關于BMD的文章中。這篇文章的初步結果發表在一個會議記錄中（Nguyen和Miah[19]），它利用遺傳算法來優化有效性的措施。

空中力量已經從一個世紀的技術創新和進步中受益。新技術的出現繼續挑戰著空中力量中經常持有的常識。無人機系統（UAS）就是這樣一種不斷發展的空中力量技術。這項技術為澳大利亞國防軍（ADF）帶來了巨大的機遇。雖然澳大利亞國防軍在特定的角色上取得了一些無人機系統的進展，但澳大利亞皇家空軍（RAAF）還沒有在其所有的空中力量貢獻中采用這種技術來達到軍事效果。

《空中力量手冊》（空天力量中心[ASPC]，2022年）定義了七種空中力量的貢獻：力量生成、空軍基地行動、空中指揮和控制、反空、空中機動、空中情報和ISR（情報、監視和偵察）以及空中打擊。一些先進的盟國已經在空中情報、ISR和空中打擊方面采用了發達的無人系統。這些系統包括美國空軍（USAF）的MQ-1捕食者、MQ-9死神和RQ-4全球鷹。甚至反空--載人空戰--也在發展無人系統的路上；RAAF與波音公司合作開展了 "忠誠的翼人 "項目（戴維斯，2019c），現在正式命名為MQ-28A幽靈蝙蝠（達頓，2022）。

但空中機動性如何？ADF還沒有接受關于未來ADF空中機動性自主性的真正對話。未來自主空中機動性思維停滯不前的一個更可能的原因是，在（到目前為止）有效的空運理論的支持下，載人系統幾十年來取得了高度可靠和經證實的作戰成功。因此，這里有一個克勞塞維茨式的平行關系：戰爭性質的一個持久因素是對機動性的需要，但今天皇家空軍所面臨的是戰爭性質的一個階梯式變化，一個對機動性來說過于重要的技術機會，不容忽視。

本文確定了在澳大利亞國防軍空中機動中采用無人機系統的滯后性，并探討了澳大利亞國防軍在未來使用無人機系統的機會。通過這樣做，本文旨在提高對ADF無人駕駛空中機動性潛力的集體認識，并為ADF部隊結構企業的軍事和商業貢獻者提供一個廣泛的參考來源。本文首先研究了無人機系統適應的驅動因素，或指標。這些驅動因素包括澳大利亞的戰略利益、區域軍事現代化、安全和生存能力、降低成本和技術可用性。然后，本文介紹并分析了三種核心空中機動性活動中每一種的無人機系統發展的具體機會和例子。為此，本文簡要討論了澳大利亞國防軍目前的機隊，然后探討了一些不斷發展的無人駕駛空中機動性技術和概念，澳大利亞國防軍可能會考慮在下一代空中機動性機隊中使用。最后，本文提出了無人機系統空中機動性發展可能面臨的一些挑戰，以幫助未來的研究和探索。

證據表明，需要一個靈活的、跨服務（和跨文化）、跨行業的方法來設計、開發和使用未來的空中機動部隊。傳統的澳大利亞皇家空軍中重載平臺和陸軍輕中載平臺的分叉模式可能會讓位于大型和小型載人和自主系統的混合艦隊。聯合部隊設計者之間的集體方法--跨單一軍種總部的真正合作--對于皇家空軍的固定翼空中機動團體和陸軍的旋轉翼團體之間的合作至關重要。也許更重要的是，在這個領域需要與工業界合作。商業行業在自主車輛領域發揮著相當大的作用，政府和私人研究和開發組織也是如此。現有的和新的伙伴關系的跨服役杠桿對于利用未來自主的ADF空中機動性的機會是至關重要的。

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。