對蜂群機器人的研究已經產生了一個強大的蜂群行為庫，它們擅長確定的任務，如集群和區域搜索，其中許多有可能應用于廣泛的軍事問題。然而，為了成功地應用于作戰環境，蜂群必須足夠靈活，以實現廣泛的特定目標，并且可以由非專業人員配置和使用。這項研究探索了使用基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）來開發特定任務的戰術，作為更普遍的、可重復使用的規則組合，供高級機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統使用。開發了三種戰術，用于對一個地理區域進行自主搜索。這些戰術在現場飛行和虛擬環境實驗中進行了測試，并與預先存在的完成相同任務的單體行為實現進行了比較。對性能的衡量標準進行了定義和觀察，驗證了解決方案的有效性，并確認了組合在可重用性和快速開發日益復雜的行為方面所提供的優勢。

1.1 動機

美國軍方對無人駕駛飛行器（UAV）的研究和利用有很長的歷史，早在第二次世界大戰之前就有了。最近，"捕食者 "無人機的推出，首先作為偵察平臺，后來作為武裝戰斗成員，徹底改變了現代戰爭。使用 "捕食者 "型無人機的優勢很多，而且有據可查，但是這類系統并不能為每一類任務提供通用的解決方案。系統的可用性、便攜性、后勤和維護要求、人力專業化和道德問題只是限制無人機向各級作戰部隊傳播的部分因素。一些人認為，戰爭的下一次革命將來自于蜂群技術：大量低成本的自主系統采用合作行為和分散控制來實現任務目標[1]-[3]。

在過去的十年中，已經進行了大量的工作來擴展無人機群的行為、能力以及指揮和控制（C2）。海軍研究生院先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）小組以前的研究推動了以任務為中心的C2方法的發展[4]，并通過分散的動態任務分配實現了蜂群自主[5]。然而，在描述高層行為和目標以及在機器人代理的強大分布式系統中實現這些目標方面，設計蜂群系統仍然存在獨特的挑戰。目前的行為實現往往是單一的，而有效的設計需要專家編程。這項研究探索了在一個面向任務的分層框架內組成原始蜂群行為的方法，以自主實現復雜的任務目標。在面向任務的框架內應用行為組合技術，可以促進簡化行為開發和重用，并有可能加速創建復雜的以任務為重點的蜂群行為，用于軍事應用。

1.1.1 蜂群案例

蜂群飛行器并沒有提供將完全取代目前無人駕駛航空系統（UAS）的好處和能力，但它們確實有可能吞并許多目前的能力。然而，更有趣的是，蜂群有可能迫使戰爭行為的技術轉變。在[1]中，Arquilla提出蜂群是一種建立在高度連接和機動能力的小型單位上的戰爭形式，這些小型單位可以快速分散和聚集在一起。Scharre[2]和Hurst[3]通過分析機器人群的屬性及其對現代戰場的潛在影響，闡述了群戰的概念。與目前的無人機系統相比，蜂群通過飛行器的異質性使自己與眾不同，這種異質性提供了單一無人機所不具備的廣泛能力。特別是，合作行為和分散控制所帶來的決策和執行速度，可能再加上人工智能（AI），使蜂群系統具有潛在的決定性作戰優勢。或者正如[2]中指出的，"擁有最智能的算法可能比擁有最好的硬件更重要"。

美國防部已經認識到蜂群技術的內在可能性，并將蜂群行為列為具有 "推動無人系統的巨大潛力 "的人工智能技術之一[6]。這種認識進一步體現在國防高級研究計劃局（DARPA）的項目中，如進攻型蜂群戰術（OFFSET）[7]。各軍種也在各自探索蜂群技術[8]，成功的概念驗證包括海軍研究辦公室（ONR）的低成本無人機蜂群技術（LOCUST）[9]，海軍航空系統司令部（NAVAIR）的Perdix系統[10]，以及NAVAIR對DARPA的CODE計劃的收購[11]。這些計劃不僅探討了自主協作系統的發展，而且還探討了與這些系統相關的C2和人機界面（HSI）要求。蜂群C2和HSI已被確定為建議研究的核心，以使該技術進入軍事應用范圍[2]、[6]、[8]。

1.1.2 蜂群特征

蜂群機器人的研究源于早期的元胞自動機領域的研究。元胞自動機通常可以被描述為一組細胞的數學模型，其中單個細胞的狀態由其鄰居的狀態隨時間變化的某些函數決定[12]。細胞本身的效用是有限的，但一組細胞可以有效地模擬自然和生物模式，而且一些細胞自動機已被證明能夠模擬任何計算機器[12]。

貝尼[13]的早期工作將自動機的概念應用于機器人學。他和Wang[14]的工作創造了"蜂群智能 "一詞，即 "非智能機器人系統表現出集體的智能行為，表現為在外部環境中不可預測地產生特定的有序物質模式的能力。" 該定義后來被完善，指出智能蜂群是 "一群能夠進行普遍物質計算的非智能機器人" [15]。這種蜂群智能的概念是蜂群的一個基本屬性。對于這項研究來說，這個概念可以簡化為：蜂群是一個無人機的集合，這些無人機單獨只能夠進行簡單的行為，但當它們聚集成一個集體系統時，能夠產生特定的額外和更復雜的行為。

確保蜂群中的集體行為產生最終的預期行為是蜂群工程的一個基礎概念[16]。蜂群行為通常依賴于涌現，被定義為由單個智能體構成集體行為，進而產生全系統行為[17]。雖然涌現是蜂群的一個理想和基本特征，但它并不容易預測。意外的涌現行為會表現出潛在的負面后果，降低對系統的信任度[16], [17]。涌現行為不僅在蜂群智能方面得到了廣泛的研究，而且在多Agent系統的背景下也得到了更廣泛的研究，包括經濟、物流和工程等廣泛的應用。因此，有大量的行為問題的涌現算法解決方案，已經成為該領域的基礎。直接適用于機器人群領域的是基于生物的行為集合，如成群結隊[18]，螞蟻和蜜蜂群優化[19]，以及粒子群優化[20]，[21]。在這些問題中的每一個，單個智能體，即本研究中的單個無人機，根據本地知識和對蜂群其他部分的有限知識決定自己的最佳行動。

分散控制和集體行為使關鍵蜂群屬性成為可能：適應性（靈活性）、穩健性和可擴展性[22]。適用于蜂群機器人和蜂群智能的這些屬性的精確定義在[22]-[24]中提供。一般來說，適應性是突發行為的結果，是蜂群在動態環境中實現一系列任務的能力。穩健性源于分散控制，即無論其他智能體是否失敗，單個蜂群智能體仍然可以做出適當的決定；也就是說，即使單個智能體失敗，蜂群仍然可以集體完成行為。可擴展性與此類似，即蜂群的規模應根據需要進行調整，以便在約束條件下完成特定目標。

1.1.3 機器人群

在過去的十年里，隨著低成本機器人和通信組件的普及，蜂群的實現已經取得了快速進展。像Kilobot[25]這樣的開源機器人很容易獲得，而像海軍研究生院（NPS）ARSENL的Zephyr II固定翼和Mosquito Hawk四旋翼無人機這樣更先進的平臺也很容易制造[26]。仿真環境，如Autonomous Robots Go Swarming（ARGoS）[27]、Open Robotics的Gazebo模擬器[28]和ArduPilot的軟件在環（SITL）環境[29]，可免費用于測試與物理系統相結合的行為，以加快開發速度。

物理機器人群的C2系統并不像模擬器那樣發達，而且很少有管理機器人群的總體框架。值得注意的框架包括用于無人機的Aerostack[30]和ARSENL的基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）[4]框架。此外，C2要求與蜂群的HSI研究密切相關。鑒于蜂群的潛在規模和相對于人的認知能力而言的行為復雜性，蜂群對人類互動提出了獨特的挑戰[31]。由于集體行為的突發性質與軍事環境中固有的嚴格的操作控制結構相匹配，HSI對軍事應用具有特別的意義[32]。在進攻性機動中使用無人駕駛車輛已經引起了倫理方面的爭論，而蜂群的自主性質只會使這個問題更加復雜[33]。

1.1.4 技術現狀

目前對多機器人系統和多機器人任務分配（MRTA）的重要研究工作集中在實現機器人群中復雜行為的規劃和執行。多機器人系統通常依靠任務分配技術和高層規劃來確定實現整體蜂群目標所需的單個平臺行動。有任務的機器人可以利用蜂群智能和涌現來實現子任務目標，但也有可能采用更多慎重的方法。Khaldi[23]和Arnold等人[34]對多機器人系統和蜂群機器人技術進行了比較和分析，重點是蜂群智能的應用。

MRTA的進展通過考慮時間和任務優先級限制的綜合能力匹配，使越來越復雜的任務領域成為可能[35], [36]。例如，NPS的ARSENL小組以前的研究推動了分散的、基于市場的任務分配的發展[5],[37]，并在復雜的多域蜂群行動中成功地進行了演示[26]。ARSENL已經成功地采用大型蜂群來合作執行定義明確的復雜任務。對這些系統的有效控制仍然需要操作員的實時監督。

最近的論文如[38]將機器學習和人工智能技術應用于蜂群系統以實現行為發展。在這一領域的工作相對較少，實現先進的蜂群自治的目標，即通過 "提供指揮官的意圖，系統能夠從該指揮官的意圖中找出系統能夠做什么"[11]，仍然是相當遙遠的。

1.2 研究目標

這項研究的目的是實施和評估基于MASC的分層解決方案，將能夠自主搜索和調查任務的不同規則組合成更強大的戰術，在異質蜂群上執行。基于市場的任務分配被調整為向參與戰術的平臺分配行為角色。本論文假設，以這種方式組成的簡單行為可以實現與更多單一行為相媲美的性能特征，并且該方法廣泛適用于創建面向任務的一般戰術。這一目標為實現MASC的目標提供了一個步驟，即促進簡單行為的設計和重用，并為任務應用創建越來越有能力的戰術。

對所開發的解決方案進行分析，以驗證復合任務分配方法的使用，并為未來實施和研究異構多無人機群的性能和C2提供建議的基礎。特別是，本論文討論了以下研究問題。

• 使用組合行為的蜂群與使用單體行為的蜂群相比，其性能是否具有可比性？

• 在有效性和可用性方面，可組合行為比單體行為有哪些好處（如果有的話）？

• 哪些性能指標適合于比較行為的實現？

• 如何將建議的行為開發方法擴展到支持適用于任意任務的行為開發？

• 所開發的方法是否提供了所需的靈活性和接口，以納入更大的任務控制框架中？

這項研究的范圍僅限于利用原始的規則和算法來組成強大的戰術。它沒有探索或開發在單個平臺上執行行為的算法。

1.2.1 方法

開發了三個符合MASC戰術理念的蜂群行為，該戰術由[4]中描述的更原始的規則組成。這些戰術是作為現有ARSENL規則的組合來實現的。每個戰術都由一個搜索規則和一個調查規則組成，前者指導平臺參與協調的區域搜索，后者指導平臺協調調查一個或多個感興趣的聯系體。這兩種戰術都利用以前開發的拍賣算法進行任務分配[37]。戰術動態地將每個平臺分配到其中一個規則中，并且在任何給定的時間，只有被分配的規則被用來控制平臺。

該戰術是為使用由具有獨特特征的平臺組成的異質群而開發的，這些特征影響了它們執行搜索和調查行為的適宜性。該戰術利用基于市場的方法（即拍賣算法）來考慮單個平臺的能力，具體描述如下。

• SearchTacticStatic。一種戰術，在行為初始化時，搜索者和調查者的角色被靜態地分配給特定平臺。分配規定了搜索者的最低數量，并有效地按飛機類型優先分配（例如，更快的固定翼無人機被分配為搜索者）。

• SearchTacticDynamic。采用這種戰術，所有平臺開始時都是搜索角色，但隨著行為的進展，可以在搜索者和調查者角色之間動態切換。當遇到聯系人時，一個單項拍賣被用來重新分配角色。需要改變角色的車輛會推遲執行向新角色的轉換，直到當前分配的任務完成之后。

• SearchTacticImmediate。這個戰術實現了與SearchTacticDynamic戰術相同的分配方法；但是，搜索者和調查者角色之間的轉換會立即發生，而不是在當前分配的任務完成后發生。也就是說，如果平臺需要轉換角色，一個正在進行的搜索單元或調查任務將被中止。

1.3 論文組織

本論文分為五章。第一章討論了空中蜂群系統的現狀，它們與美國防部的相關性，以及這項研究的動機。第二章對相關的蜂群研究領域及其與本研究的關系進行了更詳細的討論。第三章描述了組成行為的實現，并將其與之前實現的單體行為進行了比較。第四章描述了所利用的實驗過程，并討論了所收集的數據，以提供實施的戰術性能和理論上的最佳性能之間的比較。最后，第五章提供了這項工作的結論和對該領域未來工作的建議。

這篇論文考慮的情況是，一架無人機保衛一個高價值的目標，以抵御一些入境的攻擊無人機。防御性無人機配備了短程武器，必須以最有效的方式摧毀每一架攻擊性無人機。這個問題是應用數學中幾個開放性問題的交匯點，例如在有損耗的情況下的最佳行動規劃，以及解決有移動目標的 "旅行推銷員問題"（TSP）。我們研究的目的是通過將該問題分解為各組成部分的問題，然后提出各組成部分的概念驗證方案來分析該問題。這篇論文的主要成果包括一個建模框架，在這個框架中，可以在不需要約束的情況下進行優化；比較使用不同類型的成本函數進行優化的優勢（例如，最小化高價值單位被摧毀的機會與基于防御者相對于攻擊者的路徑的度量）；以及通過將其映射到標準TSP或使用機器學習來解決某些限制下的移動目標TSP。

1.1 戰斗中的自主系統

自動化系統，特別是無人駕駛飛行器（UAVs）的迅速增加，改變了現代戰場。美國已經率先在整個作戰范圍內開發和實施無人機，從信號情報到無人機精確打擊[1], [2]。然而，我們的對手繼續取得有意義的進展，最近的例子是俄羅斯在烏克蘭使用中國制造的無人機[3]，無人機可能參與了最近對北溪管道的破壞[4]，甚至恐怖組織的小規模、低技術的無人機攻擊[5]。

美國繼續按照無人駕駛航空系統（UAS）路線圖[6], [7]發展其無人機能力，該路線圖規定了無人機平臺的幾個重要任務，包括情報、監視和偵察（ISR）、壓制敵方防空（SEAD）、電子攻擊、網絡節點/通信中繼和空中投遞/補給。然而，這份清單中明顯缺少的是無人機系統的防御。無人機戰爭的一個新的和發展中的方面，即無人機對無人機的交戰，迫在眉睫。有許多無人機防御系統正在開發中，包括地面激光系統，如海軍陸戰隊的緊湊型激光武器系統（CLWS）[8]和導彈系統，如陸軍的KuRFS和Coyote Effectors[9]。然而，新的反無人機系統（C-UAS）無人機正在開發中，如洛克希德-馬丁公司的MORFIUS[10]，它使用高功率微波（HPM）武器系統，使敵方無人機在飛行中失效。

美國軍方和國防部（DOD）總體上對其無人機能力進行了大量投資，這不僅包括人員、設備和武器，還包括對無人機和蜂群的戰術運用的大量研究，而這些研究超出了最近取得巨大成功的ISR和精確打擊能力[11], [12]。在2019年的指揮官規劃指南中，海軍陸戰隊指揮官大衛-H-伯杰將軍要求建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人系統家族"，以及 "大大增加我們在其他領域成熟無人駕駛能力的努力" [13]。正是在這些其他領域，我們必須繼續創新，特別是在我們對抗對手在無人機/無人機系統開發方面的成果的能力方面。

2021年，美國防部發布了其C-UAS戰略，確定了其核心挑戰：小型無人機系統（sUAS）的指數級增長給美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正在極大地改變小型無人機系統的合法應用，同時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。當被疏忽或魯莽的操作者控制時，小型無人機系統也可能對國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。國防部必須在越來越多的小型無人機系統與國防部飛機共享天空、在國防部設施上空運行以及被我們國家的對手使用的環境中，保護和捍衛人員、設施和資產[14]。

雖然該戰略要求在理論、組織、訓練、物資、領導和教育、人員、設施-政策（DOTMLPF-P）等方面應對這些挑戰，但必須做更多的工作，將研究/開發與戰術層面的使用結合起來，并使之同步。這篇論文的目的就是要彌補這些領域之間的差距。

1.2 目前的工作

為了提高ISR能力，無人機技術早期發展的大部分學術工作都致力于各種學科的最佳路徑控制，但具體的軍事應用包括為ISR任務避免碰撞/雷達[15]。這項工作的成功從美國的無人機精確打擊能力中可見一斑。在海軍研究生院（NPS），Kaminer等人就大型蜂群的動力學和行為開展了大量的工作[16]-[20]。盡管有很長的工作歷史，這些最近的論文提出了高價值單位防御中的一個新的最佳控制問題，開發了具有損耗建模的最佳控制問題的計算框架，并開發了高效的數值框架來解決最佳控制問題中的不確定參數

許多文獻都涉及到減員模型。蘭徹斯特損耗模型使用微分方程來研究敵對部隊的依賴性損耗，自第一次世界大戰（WWI）以來，該模型被有力地運用于戰斗研究[21], [22]。一些工作已經確定了需要并解決了明確結合最優控制和損耗建模的問題[23], [24]。然而，并不存在將這些領域有效地結合在一起的一般框架或理論，當它們被解決時，其結果往往是高度特定的場景。

本論文的大部分內容將關注旅行銷售員問題（TSP）在動態環境中的應用。最佳控制和TSP在物理學和工程科學中經常有交集。例如，一個這樣的問題可能是由航天器以最佳方式訪問木星的所有79顆衛星[25]。Moraes和Freitas通過比較幾種啟發式算法來解決移動目標TSP（MT-TSP），并應用于人群和無人機檢測[26]。

1.3 開放式問題

耦合蘭徹斯特損耗模型、最優控制理論和TSP的問題對于大領域的超級蜂群是難以解決的。然而，無人機防御研究必須關注這三個領域的交叉點，以便適當地解決這一領域現存的軍事戰術和戰略問題。超級蜂群系統的基本特征還沒有得到很好的理解，盡管隨著我們擴大小型蜂群參與戰略和框架的規模，它們的屬性可能會出現。

圖 1.1 一般研究問題的解決框圖

本論文從這個有利的角度來探討這個問題，從小型蜂群開始，開發新的方法來解決更多可解決的系統，然后可以擴大規模。

每一種方法都考慮到sUAS有限的機載計算能力和作戰期間有限的可用時間。如圖1.1和1.2所概述的一般研究問題，首先是估計諸如武器類型、武器效能、無人機群類型等參數。本論文將把所有的參數視為常量、已知量。關于參數的不確定性分析見Walton等人[17]。

圖1.2 研究問題的場景可視化

其次，一群防御性無人機必須決定如何分割即將到來的攻擊者集合，以便以最佳方式與他們交戰，使高價值單位（HVU）的生存概率最大化。本論文將這一場景限制在單一防御無人機上。關于多重TSP（MTSP），見參考文獻[27]-[29]。

1.4 提綱

剩下的幾塊，決定攻擊順序和路徑優化，將在下面幾章討論。第二章假設已經知道或選擇了合理的攻擊順序，并解決相關的科學問題，即如何使HVU的生存率最大化。我們偏離了最優控制的路徑優化，而是致力于建立全新的、無約束的優化框架的可行性，在這里我們討論了各種成本函數的優點和缺點。第三章和第四章分別從TSP和機器學習（ML）的有利角度解決攻擊順序問題。

第三章試圖消除MT-TSP的時間依賴性，以證明動態版本的TSP仍然可以在轉換的空間上采用傳統的TSP算法，第四章為ML的應用建立了一個概念證明。最后，第五章展示了我們開發的圖形用戶界面（GUI）的功能，作為無人機防御任務規劃的輔助工具。

戰略導彈防御或反彈道導彈（ABM）系統被認為是拒止威懾資產。關于這些系統是穩定還是破壞了核大國之間的力量平衡的問題辯論仍未解決。這項工作以北約的導彈防御工作為重點，以東西方關系為例回顧了這種影響。這分兩部分進行。第一部分是歷史部分，根據戰略武器庫、危機事件和與導彈防御發展有關的軍備控制會談，回顧了冷戰期間的東西方關系。第二部分回顧了2000年以來的發展，再次使用戰略武器庫、危機事件、軍備控制會談以及北約和俄羅斯聯邦的導彈防御比較。歷史分析和現狀分析都沒有顯示出反彈道導彈系統具有明顯的導致升級的特點。特別是在歷史上，反彈道導彈系統似乎有穩定的作用。然而，導彈防御的每一次發展都創造了這樣一幅圖景：對手的技術優勢可能超過進攻能力，使一個國家的進攻能力下降。目前的情況詳細表明，這樣的未來從未形成，而且在可預見的未來可能也不會形成。它顯示了防御者對核攻擊的劣勢將是多么巨大。攔截器的位置有物理限制，以便能夠成功攔截導彈。更重要的是，一次攔截的成本大大高于一枚攻擊導彈的成本。這些限制使得針對俄羅斯重大導彈攻擊的導彈防御的發展和部署幾乎不可能。與此相反，俄羅斯在宣傳導彈防御時，主要是想把北約描繪成一個侵略者，試圖削弱俄羅斯的合法核防御能力。這種說法是完全錯誤的。 俄羅斯不是北約導彈防御努力的主要目標，而且只是在非常有限的程度上受到這些系統的影響。目前的導彈防御系統在兩個層面上為穩定做出貢獻。首先，通過拒絕對沒有能力克服防御的無賴政權的威懾。其次，通過創造阻止意外發射的能力。因此，導彈防御不應受到限制性軍控條約的約束。

關鍵詞：導彈防御，威懾，拒止威懾，北約，俄羅斯聯邦，國際關系，軍備控制

（2021年11月10日，在荷蘭弗里皮爾舉行的北約反無人機系統技術互操作性演習中，無人機在無人機群演示前處于起飛位置。）

美國防部（DOD）和美國政府在敵方使用小型無人駕駛飛機系統（sUAS）方面面臨著重大國家安全挑戰。創建集群能力的現有技術導致了多層次和無法管理的威脅。本文討論了如何準備和應對這一迫在眉睫的挑戰，俗稱“無人機蜂群”。傳統思維和實踐的基本挑戰推動了對無人機蜂群的關注。一些未解決的問題包括無人機蜂群對美國的潛在利益與威脅。迄今為止，沒有任何方法能充分解決美國對無人機蜂群的戰略風險。盡管美國防部戰略包括一些應對敵方無人機威脅的方法，但它并沒有完全面對挑戰，而要解決未來武裝無人機蜂群帶來的戰略問題，就必須面對這些挑戰。為了減輕這種新出現的風險，美國需要一個協調的方法來解決技術、法律和條令問題。

1 戰略環節

美國目前的戰略文件為確保和推進國家利益提供了總體要求。然而，新出現的威脅和潛在的無人機蜂群技術威脅著美國的安全態勢。例如，2017年美國國家安全戰略指出，“我們將保持一個能夠威懾并在必要時擊敗任何對手的前沿軍事存在”。隨著美國軍隊在全球范圍內的廣泛投入，對手可以利用無人機蜂群來挑戰美國在許多領域的利益；如果是這樣，美國軍隊就不能可靠地投射力量來威懾和擊敗這些同樣的對手。

此外，《美國國防戰略》認為戰爭的特點在不斷變化，行為者可以更迅速、更容易地獲得技術，包括人工智能（AI）、自主性和機器人技術。時任美國防部長詹姆斯-馬蒂斯在2018年說明了這種擔憂，他承認國土不再是一個避難所，必須預測針對“關鍵的國防、政府和經濟基礎設施”的攻擊。無人機蜂群構成了重大的國家安全戰略風險，應對這一新興威脅給美國帶來了三個關鍵領域的挑戰和機遇：技術、法律和理論。

2 奠定基礎:新興趨勢

關于作戰無人機系統使用的研究文獻揭示了以創新方式改變戰爭特征的潛力。技術革命使行為者能夠利用無人機來實現國家目標。最近發生在南高加索地區的納戈爾諾-卡拉巴赫爭議地區的戰爭說明了這一現實。阿塞拜疆對無人機系統的使用極大地幫助了它的勝利，支持了它對亞美尼亞的空中和地面作戰，而亞美尼亞擁有更多的常規空中和地面部隊，包括戰斗機和坦克。此外，這場戰爭說明了使用無人機系統來摧毀防空系統、地面部隊和裝甲車輛的優勢，包括空中能力成本相對低廉。這些系統可以憑借其相對較小的尺寸和較慢的速度避開敵人的防空系統，而且它們在常規沖突中為不太富裕的國家提供了潛在的軍事優勢。這種力量的再平衡表明，國家可能會在未來的沖突中更多地使用無人機系統來脅迫他們的敵人，促成外交上的讓步，并實現國家安全目標。遙控飛機是改變戰爭性質的工具，而小型無人機的創新使用說明了下一步的改進，其成本低，回報潛力大。

除了目前無人機系統的應用，這些航空器的未來發展趨向于更加復雜，在人工智能、自主性和機器學習方面將取得更多進展。這些術語可能會使一些人想到虛構的作品，如《天使降臨》（2019），這部電影中，小型螺旋槳驅動的無人機從地面的管道發射，攻擊美國總統和他的特勤人員。然而，在現實中主要軍事大國目前都在追求這種能力。

中國電子信息技術研究院在2020年9月測試了從地面和空中發射器發射和使用多個sUAS的蜂群編隊。此外，美國海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局近年來進行了廣泛的測試，使用大量的無人機相互協調進行偵察，編隊飛行，或可用于向目標投放彈藥。2020年9月的一次演習顯示，俄羅斯也在繼續追求用三種型號的無人機系統進行集成編隊，打擊地面目標。雖然這本身不是無人機蜂群，但一位俄羅斯專家指出：“在這一點上，俄羅斯有很多關于UAV蜂群使用的研究，并對這種概念進行了測試和評估。”

民用無人機蜂群的發展表明，這是一項雙重用途的技術。在過去的幾年里，對無人機能力的需求不斷增加，因為各公司為編排好的展示活動編排了數以百計，有時甚至數以千計的無人機系統。例如，英特爾在2018年創造了一次展示中無人機數量最多的世界紀錄，有2066架。英特爾特定型號的無人機在眾多活動中飛行，包括2018年冬季奧運會和2017年超級碗的半場表演。最近，無人機表演為當選總統喬-拜登的特拉華州勝利慶典展示了蜂群能力。可以想象，一個邪惡的行為者可能會控制大量無人機，對涉及國家元首或大量人群的活動進行破壞。伊朗在2019年9月對沙特阿拉伯最大的原油穩定廠之一進行了無人機攻擊，顯示出不同尋常的復雜性，并且還在試驗同時對50個目標使用大量無人機。無人機蜂群的軍事和民用趨勢預示著美國的力量可能會在未來受到挑戰。盡管各行為體尚未使用真正的小型無人機蜂群來對付對手，但該技術的攻擊應用并不遙遠。

3 戰略風險及影響

各國應在仔細考慮其風險和影響后，規劃使用無人機群。一些文獻承認無人機蜂群在某些戰略軍事背景下的概念性應用。例如，一位戰略專家認為，完全自主武裝型無人機蜂群（AFADS）是蜂群應用的一個子集，可以被視為大規模殺傷性武器（WMD）。美國陸軍應用兵棋推演方法證明了無人機蜂群武器如何在平行攻擊中提供作戰優勢。美國防部關于使用自主系統的發起人之一指出：部署完全自主的武器將是一個巨大的風險，但這可能是一個軍隊值得承擔的風險。這樣做將會進入未知的領域。敵對行動者正積極試圖破壞戰時的安全行動。而且在行動時，沒有人可以干預或糾正問題。

大國可能愿意承擔這種風險；正在開發能夠獨立于人類操作者做出決策的自主武器。前美國防部長馬克-埃斯佩爾指出了美國和其他大國在自主武器發展方面的這種區別。一些評論家斷言，自動防御系統提供了軍事優勢，包括自由打擊覆蓋戰略資產的傳統防空系統或對核和支撐能力進行監視。

各國必須考慮自主武器計劃的戰略影響。一個行為者向對手使用無人機蜂群可能導致意外升級，而一個意外的人工智能決策可能無意中導致敵人反擊或外交危機。國際上的討論還沒有涉及到使用完全自主武器在“危機穩定、升級控制和戰爭終止”方面的戰略考慮。許多專家同意，自主武器系統可能在危機或武裝沖突期間提供作戰優勢，特別是在灰色地帶或混合戰爭中，但戰略風險要求決策者現在就考慮這些危險，以避免以后出現災難性的結果。完全自主的武器系統增加了誤判和/或誤解的風險，這可能導致國家和非國家競爭者之間不受控制的風險升級。這包括使用大規模毀滅性武器的威脅增加。盡管采用自主無人機蜂群存在固有的風險和后果，但這些能力為行為者提供了實現國家目標的軍事和戰略選擇。有人類參與的半自主無人機蜂群武器也會給對手帶來風險，盡管程度較低。

4 重要術語

關鍵術語和分析的范圍將澄清誤解。歐文-拉肖在《原子科學家公報》中寫道，將蜂群無人機定義為“分布式協作系統......成群的小型無人駕駛飛行器，可以作為一個群體移動和行動，只需有限的人類干預”。蜂群的另一個定義規定了軍事應用，“大量分散的個體或小團體協調在一起，作為一個連貫的整體進行戰斗”。根據美國防部指令3000.09，自主武器系統，“一旦啟動，就可以選擇和攻擊目標，而無需人類操作員進一步干預”。美國國家科學、工程和醫學研究院規定，無人機蜂群是指40個或更多的無人機系統，該群體作為一個單位，有各自的行為，所有成員都不知道任務，成員之間相互通信，每個無人機系統“會相對于其他無人機系統進行定位”。這些創新包括人工智能、自主性和機器學習的應用，以及美國防部指定為1、2和3組的sUAS進步。sUAS作為一個整體執行任務，包括情報、監視和偵察以及進攻性攻擊。在本文的其余部分，這種威脅將被稱為無人機蜂群。

5 技術可行性

對抗（或稱反制）無人機蜂群提出了三個領域，這對五角大樓和負責保衛美國國土的國家機構來說既是挑戰也是機遇。第一個領域，即技術，美國防部的工作集中在硬件解決方案上。在2021財年，美國防部最初計劃“在反無人機系統（C-UAS）的研究和開發上至少花費4.04億美元，在C-UAS的采購上至少花費8300萬美元。”所有軍種都追求各種尖端技術解決方案來探測、跟蹤、識別和擊敗目標。用于探測的硬件解決方案包括雷達以及電子光學、紅外和聲學傳感器；所有這些都因小型無人機的表面特征和相對速度而限制了其有效性。另一種技術涉及操作員可能需要控制無人機無線電指令信號的探測。擊敗機制包括干擾、欺騙、槍支、網、定向能和標準防空系統等方法。然而，目前的能力給操作者帶來的結果是好壞參半的。目前的措施主要是針對數量較少的無人機，而這些無人機并沒有表現出蜂群行為能力。其他方法，包括美國空軍和國防部在作戰環境中測試的高功率微波（HPM），可能提供更有效的能力來對付無人機蜂群，但專利方面的挑戰可能會限制其有效性。誠然，美國防部可能正在追求更先進的HPM武器，其基礎設施足跡更小，如Leonidas系統，但目前的研究僅限于非保密來源。

美國防部的反無人機系統（C-sUAS）戰略承認了無人機蜂群帶來的戰爭特征變化，但并沒有提到具體的解決技術。考慮到對抗無人機蜂群的近期要求，當前技術的重大局限性給行業帶來了挑戰。此外，美國防部可能沒有關注無人機蜂群的新威脅。相反，開發和采購工作表明，重點是傳感器和武器，以擊敗目前的無人機系統。美國防部2021財年的C-UAS預算主要針對當前設備進行開發，沒有考慮滿足未來需求的技術創新。在COVID-19大流行期間和之后美國防部預算下降的環境下，這種方法可能被證明是低效的，并造成重大風險。各國開發無人機蜂群技術的速度表明，其成熟速度比應對此類威脅的設備成熟速度更快。

觀察家們注意到需要快速創新以減輕不斷上升的威脅，但目前的國防工業基礎面臨著變革的障礙，包括軍事文化和新的商業技術測試。快速創新的一個更常見的問題源于對商業產品的收購，其中知識產權成為系統部署使用的很大障礙。當公司的設備或軟件不一定能互操作時，這個問題就會變得很嚴重，使C-sUAS操作者無法獲得擊敗目標所需的融合、及時和有用信息。軍事文化不一定會獎勵創新的思想家，并且很可能成為快速變革的障礙。雖然美國防部目前的C-sUAS戰略確定了無人機蜂群的威脅，但它沒有充分解決國防部必須如何克服高成本和創新遲緩的技術風險。

（2022年8月14日，在密歇根州格雷靈營地，分配給美陸軍第37步兵旅戰斗隊總部的上士Noah Straman 在北方打擊行動期間發射了DroneDefender）

6 合法的可接受性

C-sUAS戰略的第二個風險來源是在法律限制，特別是在國土上。現行法律為國土上的美國公民提供保護，同時也抑制了美國防部在軍事設施上保護無人機威脅的能力。鑒于無人機的威脅能力和檢測限制的多重影響，無人機蜂群加劇了這種限制所帶來的風險。C-sUAS戰略宣稱，美國防部的主要利益相關者必須與合作伙伴合作才能取得成功。這一當務之急應推動立法解決方案，以擴大這種反無人機設備運行的國內環境權限。

C-sUAS戰略強調了在國土上操作反無人機能力的重大法律挑戰，并斷言：“許多現有的法律和聯邦法規在設計時并沒有將無人機系統作為威脅來處理，而技術變化的持續速度使得法律當局很難跟上步伐。”目前的法律不允許及時發現潛在的無人機威脅，這些威脅可能來自軍事設施之外。《美國法典》（USC）第10條第130i款授權國防部長和武裝部隊指定人員采取所有動能或非動能行動，以“禁用、損壞或摧毀”對“所涉設施或資產”構成威脅的無人駕駛飛機系統。這一法律限制使操作者無法在潛在的無人機威脅到達目標之前將其擊敗。

盡管《美國法典》第10章第130i條授權國防部“在未經事先同意的情況下......通過攔截或以其他方式獲取電訊或電子通訊，探測、識別、監測和跟蹤無人駕駛飛機”，但它并沒有明確說明這一權力是否延伸到基地的邊界之外；如果可在邊界之外，就會給國防部提供戰術優勢。新的授權也不清楚美國防部是否可以在不違反情報監督指令的情況下，在其管轄范圍之外收集所需的無人機信息。此外，針對潛在的無人機蜂群威脅收集此類信息可能會擴大責任。探測目標還需要區分敵方和友方的無人機，鑒于目前的權限，處理與合法民用飛機有關的具體信息可能會有問題。

根據C-sUAS戰略，美國防部必須采取多邊行動，并與執法機構分享威脅信息，如10 USC 130i所允許的。這可能的一種方式是在國家安全特殊事件（NSSEs）期間，聯邦調查局（FBI）可以有臨時的權力來反擊無人機，而無需首先獲得授權。2018年《預防新威脅法》授權國土安全部（DHS）和司法部（DOJ）“通過基于風險的評估，減輕無人駕駛飛機......對設施或資產的安全或安保構成的威脅”。在最近的案例中，聯邦調查局與聯邦航空管理局（FAA）合作，在2020財政年度期間，包括2020年超級碗、2019年世界大賽、2020年玫瑰碗比賽、華盛頓特區的“A Capitol Fourth”和紐約市的新年慶祝活動中，成功對抗了超過200架無人機。聯邦調查局還與國土安全部以及佐治亞州的州和地方執法部門合作，在2019年超級碗比賽期間對抗54起無人機入侵事件；在體育場周圍的臨時飛行限制期間，至少有6架無人機被沒收了。

2018年《預防新威脅法》的描述內容與《美國法典》第10篇第130i條的授權非常相似，但仍不清楚國土安全部、司法部和國防部如何進行實際合作。首先，NSSEs是臨時性的，如果沒有永久性的授權，通過機構間的協調對威脅進行早期預警的優勢幾乎可以忽略不計。對手很可能不會在NSSE期間對國防部資產發動無人機蜂群攻擊。其次，如果國防部發現了其管轄范圍之外的威脅并警告國土安全部或司法部，聯邦、州或地方執法部門不太可能有時間和能力來攔截無人機蜂群威脅。

地方執法部門和私人實體有更少的權力來對抗無人機。根據國土安全部、司法部、交通部和聯邦通信委員會最近的咨詢，采用反無人機技術的非聯邦公共機構和私人可能違反聯邦法律。法律將無人機定義為飛機，任何破壞或摧毀無人機的工具都可能引發涉及《飛機破壞法》和《飛機海盜法》的責任。那些使用無線電頻率探測的人可能會涉及《竊聽/陷阱法》和《竊聽法》的訴訟負責，這取決于該能力是否記錄或攔截無人機和控制器之間的電子通訊。

最后，附帶影響可能導致當地執法部門或私人實體重新考慮采用這些能力。杰森-奈特對城市地區警察機構的考慮進行了分析，并提到了反無人機技術干擾合法地面和空中活動的例子。目前的授權并沒有為國防部對抗無人機群所需的預警能力提供全面的法律基礎。盡管在某些情況下，與東道國或在應急地點的多邊協調可能為防御者提供優勢，但鑒于美國防部的法律限制，在可能試圖使用無人機蜂群來對付關鍵基礎設施時，國土為對手提供了優勢。

（2022年3月30日，第3海軍陸戰隊第9工兵支援營沿海工兵偵察隊的戰斗工程師海軍陸戰隊下士Chance Bellas在菲律賓克拉韋里亞的Balikatan 22期間組裝了小型無人機系統VAPOR 55）

7 條令（理論）適用性

C-sUAS戰略的最后一個障礙是關于有效使用反無人機設備的一個重要但被忽視的方面。該戰略宣稱，隨著技術的成熟，需要制定條令，但僅僅承認企業的需求并沒有解決規劃誰可能操作這些設備的重大挑戰。現在確定條令上的需求將減輕未來的能力差距。美國陸軍必須在保衛空軍基地免受未來無人機蜂群威脅方面發揮更大作用。

采用反無人機能力的一個獨特方面是，它包括在所有領域的行動。具體來說，在空中瞄準和減輕對手的巨大挑戰，需要對三個主要任務領域的分工進行清晰的評估：防空、部隊保護和空域控制。從這些任務領域中提取部署原則對于規劃反無人機能力的戰略用途是有價值的。聯合條令是基于目前的部隊結構和幫助解決復雜問題的責任。規劃對抗無人機蜂群的方法需要對聯合條令中的角色和責任進行更深入的評估。

條令必須考慮到培訓未來在所有領域發揮作用的設備操作人員。在空中領域的操作需要對防空、部隊保護和空域控制有充分了解和精通的人員。設計一個與技術和設備同步發展的部隊結構并為其提供資源，將更有效地阻止和對付先進的威脅。這一發展推動了反無人機蜂群條令開發的權威指導，其也是C-sUAS聯合辦公室（JCO）作為國防部執行機構責任的一部分。此外，聯合辦公室將“協調C-UAS的聯合作戰概念和聯合條令的發展”。然而，這種責任描述沒有考慮到目前國防部各部門在空域控制、部隊保護和針對無人機蜂群威脅的防空方面的角色挑戰。專注于對抗地面威脅的部隊保護軍事人員并不具備對抗空中威脅同時避開友軍飛機的必要知識。對這些人員進行空域環境、電磁波譜、空間作業和天氣等相關培訓，將使他們更有效地運用能力來對付無人機蜂群。在防空方面重疊的責任，特別是美國陸軍和美國空軍之間的責任，可以解決此條令上的挑戰。然而，各軍種都依賴部隊保護專家，這給業務帶來了風險。

條令還包括對角色和任務的劃分，特別是在空軍基地的防空方面。越南戰爭和伊拉克戰爭迫使高級軍事指揮官和各軍種將能力分配給傳統任務，而犧牲了支持戰略和作戰目標的空軍基地防御。特別是陸軍和空軍，自二戰結束以來，一直在為地區和點狀防空任務的具體作用而爭斗。2020年蘭德公司的一項研究強調了目前的辯論：今天，美國陸軍負責為空軍基地和其他固定設施提供點式AMD（防空和導彈防御），但兩軍多年的忽視導致了能力上的不足......陸軍領導層將其機動部隊的移動式短程防空置于固定設施防御之上。

在美國陸軍對海外和國內主要作戰基地的防空資源進行優先排序之前，戰略和戰役目標很容易被無人機蜂群影響。此外，空軍可能會繼續倡導和獲得C-sUAS的能力，而沒有條令上的決議。空軍可能會實現其長期以來的愿望，即在戰術防空方面發揮更大的領導作用——這將與聯合司令部的任務相矛盾，即避免重復工作并獲得效率。同樣，其他軍種可能會繼續購買設備進行試驗，如果沒有跨領域和職能協調，這可能不是最佳或有效的。

蘭德公司的報告還詳細說明了陸軍和空軍在防空方面的角色錯位。2020年的一份國會研究報告提出了一個重要問題：“計劃中的SHORAD（短程防空）部隊結構和能力是否足以應對預測的未來挑戰？”該報告表明，陸軍計劃在現役和后備部隊之間增加18個營的防空能力，這可能不足以滿足支持歐洲威懾倡議和太平洋威懾倡議的陸軍部隊需要。這些能力包括應對無人機系統的威脅，但不包括保衛空軍關鍵資產和主要作戰基地的假定任務。盡管聯合出版物3-0《作戰》要求整合進攻和防御能力，以實現對敵方無人機的空中優勢和部隊保護，但它并沒有明確規定各軍種的角色和任務。這種理論上的模糊性增加了SHORAD資源不足的危險，以應對未來無人機蜂群的倍增效應。

新興技術的發展和使用無人機蜂群可能性的增加使得有必要對條令和軍種的作用進行重新評估。事實上，空軍參謀長已經敦促國防部長辦公室對各軍種的角色和任務進行審查，以確定聯合作戰概念的領導組織，如遠程精確射擊和攻擊下的后勤。這兩個概念都與保護戰略資產免受潛在的無人機蜂群攻擊有關。此外，美國防部缺乏條令指導可能也表明需要評估機構間的概念和方法，以便在民事管轄范圍內采用類似的能力。JCO及其國防部戰略將為持續的條令開發提供基本要素，但更多的工作必須集中在調整各部門的角色和資源上。

8 建議

美國防部對抗無人機蜂群的新方法必須解決技術快速發展的風險，對手可能利用民用和國防部保護關鍵基礎設施之間的法律縫隙，以及防空、空域控制和部隊保護方面固有的條令挑戰。正如2018年美國國防戰略所指出的，國土不再是一個避難所，而是敵人無人機蜂群的目標，這些蜂群可能具有洲際范圍的能力。

（2021年10月14日，夏威夷波哈庫洛亞訓練區，海軍陸戰隊準下士德米特里-謝潑德在布干維爾II期間進行步兵排戰斗課程時發射無人機）

敵對趨勢必須推動國防工業基地采用相對低成本、快速和人工智能的技術解決方案。最初尋求納入未來技術的“第三次抵消戰略”，為減輕這種風險提供了一個特別有用的方法。該戰略探討了蜂群式無人機、高超音速武器、人工智能和人機協作的最佳組合方式，以在戰斗中提供獨特的優勢，但它并不只關注材料和設備。相反，它考慮了如何最好地將人類的創造力與技術的精確性相結合。當應用于對抗無人機蜂群時，人機協作的概念可以為防空事業提供優勢。解決方案應該包括一系列與人工智能軟件完全整合的傳感器，以便更迅速地識別潛在目標，并提高信心水平。美國陸軍的TRADOC小冊子525-3-1《2028年多域作戰中的美國陸軍》指出，這些特征是人工智能和高速數據處理所希望的，以提高“人類決策的速度和準確性”。

值得投資的人機技術項目包括由人工智能驅動的自主蜂群無人機，以通過斗狗來減輕或摧毀敵人的蜂群。喬治亞理工大學在2017年與海軍研究生院合作進行了這種實驗。此外，美國防部的低成本開發能力包括非動能直接能量武器，如戰術高功率微波作戰響應器（THOR）和混合防御限制空域（HyDRA）計劃。THOR為對抗無人機蜂群提供了一種特別有效的能力，因為與HyDRA激光器相比，其影響范圍更大。然而，如果與綜合指揮和控制（C2）界面連接部署并協調，將人工智能與人類結合起來，該系統可比標準防空能力更有效，成本更低。

C2能力必須能夠更快地確定目標，將傳感器與擊敗機制連接起來，并允許人類操作員迅速選擇更有效的武器。最近的報告表明，聯合司令部正在追求這些能力，并可能要求各軍種開發自己的C2系統，以便最終整合到美國陸軍的前線防空指揮和控制系統。其他C2系統包括美國海軍的CORIAN（反遙控模型飛機綜合防空網絡）能力和美國空軍的多域無人系統應用指揮和控制。然而，這些具體的系統目前似乎并沒有與先進作戰管理系統（ABMS）或擬議的聯合全域指揮與控制（JADC2）架構聯系在一起。最近和剛開始的工作表明，在北大西洋公約組織中將使用JADC2概念將傳感器與射手聯系起來以對抗無人機群的倡議。未來的JADC2架構在概念上可以使人類操作員為自己的目的控制敵方的無人機蜂群網絡。無論哪種創新，“第三次抵消戰略”都為應對未來致命的自主無人機蜂群問題提供了一個潛在的寶貴方法。

在不考慮未來無人機蜂群威脅或人工智能發展活動的情況下，追求不同的和針對具體軍種的C2能力將浪費時間和納稅人的資金。相反，美國防部應更快地將2021財年開發的反無人機蜂群C2能力納入JADC2架構。國會責成國防部長評估綜合防空和導彈防御C2系統，其中包括C-UAS能力，并確定它們是否與新興的JADC2架構兼容。這個框架符合國會對自主或半自主能力的偏好，而且操作和維持成本低。盡管互操作性、知識產權、數據管理和信息保障仍然是挑戰，但將C-sUAS C2系統整合到JADC2架構中，將產生更快的殺傷鏈和潛在更低成本的項目。JCO主任肖恩-蓋尼少將最近承認，這種開放的架構方法可能會在日后帶來巨大的安全紅利。 第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

（2021年4月18日，太平洋，分配到第21直升機海戰中隊的海軍二級空勤人員（直升機）丹尼爾-艾爾斯在與兩棲攻擊艦埃塞克斯號的實彈演習中用MH-60S海鷹GAU-21.50口徑機槍向目標無人機開火）

第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

幸運的是，聯邦航空局正在推行幾項舉措來對抗敵方無人機。這些計劃包括將無人機納入國家空域系統，以區分友軍和敵軍的無人機。國防部應積極鼓勵聯邦航空局和美國國家航空航天局繼續各自的無人機行業倡議，包括無人機系統交通管理研究，以“確定服務、角色和責任、信息架構、數據交換協議、軟件功能、基礎設施和性能要求，以實現對低空無控制無人機操作的管理”。這些增加的權力，再加上增強的能力，可以縮小民事和軍事管轄權之間的法律差距，以保護國家基礎設施和國防部的關鍵資產。

最后，美國防部必須通過兵棋推演和演習積極磨練理論，以確定空軍基地防空中最合適的角色和職能。隨著無人機技術的成熟和向友軍提出更復雜的問題，盡早建立正確的部隊結構將更有效地應對挑戰。這將需要進行必要的培訓和適當的資源配置，以滿足國會對有效和低成本設備的需求。正如蘭德公司的研究報告所指出的那樣，沒有單一的行動方案，而是通過組合來提供解決方案。然而，角色和職能的重新調整對于成功至關重要。追求適當的聯合討論將為未來對抗無人機蜂群的強大和基于風險的模式提供基礎，并避免過去的戰略錯誤。

防御高超音速導彈在戰略上是必要的，在技術上是可行的，在財政上也是負擔得起的，但這并不容易。它的實現將需要不同于傳統彈道和巡航導彈防御任務所采用的方法和新的思維方式。高超聲速武器將彈道導彈的速度和射程與巡航導彈的低空和機動飛行輪廓相結合。雖然傳統防御可以單獨應對這些挑戰，但它們的組合將需要新的能力、作戰概念和防御設計。高超聲速導彈具有吸引力的相同特征也可能是擊敗它們的關鍵。與其將高超聲速防御視為傳統彈道導彈防御問題的附屬品，不如將其理解為一種復雜的防空形式。

幾十年前，美國向世界表明了其部署彈道導彈防御系統的意圖，特別注重攔截大氣層外可預測的目標。從那時起，導彈的威脅范圍已經擴大，變得更加大氣內和更靈活。在21世紀初，俄羅斯和中國開發了各種無人機系統、先進的巡航導彈、高超音速滑翔武器和日益復雜的彈道導彈。這些武器的特點減少了防御系統的覆蓋范圍，迫使防御者一次看多個方向，并需要更靈活的攔截器。

自2018年以來，俄羅斯已經測試了至少四種新的高超音速或高速武器，將其遠程Avangard高超音速滑翔飛行器和Kinzhal空射彈道導彈投入使用。與此同時，中國已經測試或部署了幾種類型的高超音速武器，并在培養高超聲速專業工程師、發表公開科學論文和建造高超聲速風洞方面超過了美國。俄羅斯等大國對先進導彈能力的投資是2021年3月發布的《臨時國家安全戰略指南》所稱的“旨在遏制美國實力并阻止我們捍衛我們在世界各地的利益和盟友的努力”的一部分。

高超聲速防御對于破壞這些努力、保衛美國領土、保護前方部署的部隊及其支持的防御態勢是必要的。有效的威懾既要利用懲罰的威脅，又要利用阻止攻擊的可靠能力。主動和被動防御措施的混合將提高攻擊的門檻，增加對手決策計算的不確定性，并增加對手的發展成本。有效的防御能力為采取其他軍事、外交和經濟應對措施贏得時間，以承受和減輕與危機中攻擊導彈發射裝置有關的政策和行動挑戰。高超音速防御系統的發展不需要也不應該在真空中進行，也不應該作為一個新的獨立的煙囪。高超聲速防御可以利用正在進行的彈道和巡航導彈防御和高超聲速打擊投資，所有這些都利用了類似的工業基礎，并利用了類似的傳感器和網絡。

拜登政府高級官員肯定了高超音速防御的重要性。在他成為國防部長的確認過程中，勞埃德·奧斯汀表示，他將“鼓勵努力解決各種導彈威脅，包括……高超音速導彈防御攔截能力的加速發展。”副國務卿凱瑟琳·希克斯同樣承諾將重點關注必要的傳感器能力:“如果得到證實，我將評估正在進行的改善國家導彈防御的努力，特別關注提高識別能力和探測彈道導彈和高超音速導彈的傳感器。”

高超聲速導彈的特性可能看起來很新穎，但它們實際上是導彈戰新時代的先兆。新型彈道導彈的飛行軌跡更低、形狀更重。新型巡航導彈保持更高的速度，而且越來越難以被發現。未來的威脅將包括導彈-無人機組合、航天飛機、飛行導彈和其他難以簡單分類的混合導彈。因此，高超音速導彈并不代表一個精品問題。它們是導彈威脅的更廣泛演變的例證——這需要對更廣泛的導彈防御模式進行變革。

2019年《導彈防御評估報告》指出，“不應低估恢復常規和導彈防御優勢所需變化的規模和緊迫性。”這里所要求的規模和緊迫性幾乎涉及導彈防御的每一個方面:傳感器、攔截器、防御設計、理論和政策。復雜的空中和導彈防御系統的問題與某些仍在出現的未來威脅無關。目前，與已經部署并準備使用的高超音速武器以及其他即將問世的武器進行競爭是當務之急。美國國防官員長期以來一直表示，有必要將名為彈道導彈防御系統(Ballistic Missile defense System)的主要國防采建項目轉變為導彈防御系統(Missile defense System)，以應對不再由彈道導彈定義的威脅范圍。現在是這樣做的時候了。

關鍵研究發現

• 部署高超聲速防御將需要綜合的、分層的、系統的方法、新的傳感和攔截能力、不同的作戰概念、教義和組織變化，以及修改的政策預期。

• 高超音速飛行的定義是大氣飛行。因此，高超聲速防御可能被更好地理解為一種復雜的防空形式，而不是彈道導彈防御的附屬品。

• 高超音速導彈威脅應該是重新考慮導彈防御和擊敗的方法，以及從彈道導彈防御系統中出現導彈防御系統的關鍵驅動因素。這樣做將有利于防御其他非彈道威脅的發展，包括亞音速和超音速巡航導彈、游蕩彈藥和其他新型投送系統。

• 高超聲速防御最重要的項目元素是彈性和持久的空間傳感器層，能夠觀察、分類和跟蹤所有類型、方位角和彈道的導彈威脅。

• 第二重要的項目元素是滑翔相位攔截器。到目前為止，高超聲速國防投資一直不多，只有一小部分用于高超聲速打擊。按照目前的速度，滑翔相攔截彈可能要到21世紀30年代才能部署，但這一時間表可能會加快。

• 即使沒有空間傳感器層和滑翔相位攔截器，防御設計也可以使用現有的傳感器和替代效應器，以限制高超聲速導彈的機動預算，引導威脅，并以有利于防御方的方式施加其他成本。

• 高超聲速武器具有吸引力的相同特征為防御者提供了新的失敗模式。一種綜合的方法可能受益于用區域范圍效應器補充命中殺傷攔截，包括高功率微波系統、21世紀版本的高射炮和其他針對高超聲速飛行體制漏洞的手段。

• 美國不會與無限的資源競爭。積極防御高超聲速導彈可能瞄準的每一個關鍵資產甚至廣闊區域是不可能的。這一簡單的現實要求政策和戰略預期與優先防御和更有限的防御資產清單相一致。應優先考慮區域和部隊保護任務，以及在本土的少量關鍵資產。

• 目前的教義和組織結構妨礙信息共享、交流和決策。這些需要適應，以支持跨多個領域、命令和責任領域的反高超聲速行動。

• 高超聲速防御工作要求美國通過維持可預測的預算、深化與盟友的合作、投資消除工業瓶頸領域、改進測試和建模基礎設施以及持續持續的努力，重新獲得相關的科學和工業領先地位。

• 防御高超聲速導彈全方位威脅的挑戰不可能由單一的銀彈解決方案解決。針對高超聲速飛行關鍵弱點的大量努力可以使高超聲速防御成為一個更容易處理的問題。

野外火災對國土安全構成直接威脅，因為它們造成嚴重的個人、經濟和社會壓力。隨著無人駕駛飛行器（UAV）蜂群的使用越來越普遍，它們很可能作為一線消防航空資產，提高空中滅火飛行的操作速度，從而提高消防員的安全。這篇論文探討了使用無人機蜂群作為火災撲救方法的概念，在一個現實的火災場景中，將理論上的無人機蜂群與傳統的航空資產進行比較，然后使用系統工程方法來定義在林野空間實施無人機蜂群的壓力點。這項研究的結果支持無人機蜂群的繼續發展，并明確界定了在實施大規模無人機蜂群飛行之前必須解決的領域。滅火無人機蜂群系統顯示出巨大的前景，因為它具有相對的便攜性，并且能夠為無法隨時獲得傳統滅火飛機的地區提供空中滅火選擇。然而，在實施之前，解決無人機蜂群系統的后勤和通信限制，將是至關重要的。

執行摘要

野外火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。認真對待野地火災的威脅，并尋求實施增加安全和保障的技術進步是至關重要的。荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用成群的無人駕駛飛行器（UAVs）對荒地火災進行火力攻擊。

隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進荒地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。在一項回顧性研究中，巴特勒發現，從2000年到2013年，有78名野外消防員的死亡，即26.2%，與航空有關。國家機構間消防中心報告說，在過去10年中，"每年平均有62,693場野火，每年平均有750萬英畝受到影響。"國家消防局估計，現在每年用于撲滅野火的費用為16億美元。盡管有所有這些事實，這些年用于撲滅這些火災的資源基本上保持不變。由于野外火災的威脅使公民面臨財產損失、高額的撲滅費用和潛在的生命損失，目前有必要探索基于無人機的火災撲滅。無人機群可能比目前的航空資產更有效地執行空中滅火的關鍵任務。

無人機蜂群是在特定參數下部署的半自主的航空器群，以完成一項任務。這些飛機在發射和回收時得到人類控制器的協助，但隨后被允許在特定參數下完成任務。無人機蜂群可以被證明是快速部署的空中資產，可以在地面部隊到達之前找到并壓制火勢。利用無人機群進行滅火行動可以提高消防員和公眾的安全，使火勢保持小規模和可控，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火場。

使用傳統的固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機無法在濃煙條件下、天氣事件和黑暗的夜晚飛行。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。由于無人機和無人機群有能力在夜間和許多有機組人員的飛機無法做到的條件下飛行，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。致力于使用無人機群進行空中滅火可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，同時使火勢更小、更容易控制。

這篇論文旨在回答這樣一個問題：新興的無人機群技術如何在野外環境中作為一種火災攻擊方法來實施。研究設計采用了一種三管齊下的方法。首先是概念驗證法，通過參與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究集團的實際無人機群飛行任務來促進。在測試過程中，我們飛行了多種類型的無人機群，并將無人駕駛的地面車輛整合到群中。實際測試表明了在荒地部署無人機群的可行性，并強調了在全面部署前必須解決的問題。

第二種方法是對50架無人機群和傳統的單引擎空中加油機（SEAT）進行比較分析，攻擊理論上的火災。該分析允許對無人機群和傳統飛機在特定時間內攻擊火災進行比較。衡量標準包括投放的滅火劑數量和每種資產的預計運營成本。這些信息被用來完成無人機群和傳統飛機之間的成本比較。最后，Innoslate 4（V 4.5.1.0）基于模型的系統工程軟件和建模系統被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。這些飛行方案允許(a)確定實施的壓力點，(b)了解無人機群和SEAT飛機的限制和好處，以及(c)確定無人機群操作和確保成功任務所需的地面支持人員之間的關鍵關系。

作為這項研究的結果，我們相信無人機群可以對野外環境中的空中滅火做出重要貢獻。無人機群因其相對的便攜性和對防火區有限的進入障礙而顯示出巨大的前景。雖然50架無人機群對每個森林保護區來說可能并不可行，但即使有幾架滅火無人機，在地面部隊可以攻擊它們之前，也可以控制低至中強度的火災。然而，在這之前，必須解決許多壓力點，以全面實施基于無人機群的火災撲救。其中一些問題包括制定和實施明確的無人機群飛行政策和程序，審查聯邦航空管理局關于無人機群行動的現行規則，制定支持無人機群行動的后勤最佳做法，并確保積極的通信聯系以保證對無人機群的完全控制。最后，如果美國接受了將無人機群用于野外消防和其他商業行動的概念，那么支持無人機和無人機群的基礎設施以及專注于建造、編程和操作的無人機具體教育就至關重要。

在野外環境中使用無人機群的概念對于提高消防行動的安全性和生產力有明確的價值。雖然有一些障礙需要克服，但未來的野外消防工作將大量涉及無人機群。預計多個運營商將尋求進入無人機群建設和運營的最前沿，這既是一個商業機會，也是一個協助解決日益嚴重的野外火災問題的機會。雖然無人機滅火不太可能很快取代傳統的空中滅火，但使用無人機群作為另一種空中滅火工具的能力，特別是在傳統飛機不飛行的夜間，應該為火災管理人員提供另一種快速和更安全地緩解火災的手段。

I. 引言

荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用無人駕駛飛行器（UAVs）群，在荒地火災失去控制之前對其進行火力攻擊。蜂群是在特定參數下部署的無人機自主團隊，以完成一項任務。無人機群被允許在任務參數范圍內做出自主和合作的決定，同時由一個操作員進行監督控制。這種能力與目前的無人機操作形成對比，后者需要每架飛機都有一個飛行員。利用無人機群進行滅火行動有可能提高消防員和公眾的安全，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火災。

A. 研究的動機

野地火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。大規模的野地火災所代表的危險是如此嚴重，以至于火災管理人員必須嘗試使用所有可用的戰術來抑制它們，包括直接和間接的火災攻擊方法。這些技術需要將消防員置于危險之中，以減緩或阻止火災的發展。2010年至2019年期間，134名消防員在撲滅野地火災時因公殉職。"國家機構間消防中心 "報告說，在過去10年中，"平均每年有62693場野火，平均每年有750萬英畝受到影響。 "然而，這些年來，對抗這些火災的資源可用性保持不變。隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進野地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。

1. 用蜂群技術增強消防戰術

使用單個無人機來協助收集野地火災的情報的概念是熟悉的領域。對于大多數大型野地火災，單個無人機可用于觀察火災的位置和運動，或監測已逃離控制線的火災。無人機產生的情報成為火災預測和即將到來的行動期的行動規劃的一個關鍵因素。然而，無人機還沒有被部署用于直接滅火活動，也沒有在野地火災中部署無人機群。蜂群技術正處于起步階段，需要更多的開發才能成為應用于滅火行動的可行選擇。

術語 "無人機群 "是指由一個控制器操作的多個無人機。受控蜂群是為特定任務編程的無人機團隊，由一個控制器操作。半自主的蜂群是一個由控制器協助發射和回收的無人機團隊。半自主蜂群有特定的任務參數，據此它可以識別任務，決定哪些成員將完成任務，完成任務，并恢復到基站，同時在成員之間進行分工以確保成功完成。

由于必須在火場上放置大量的水或阻燃劑的滅火有效載荷，使用單個無人機進行直接滅火攻擊的概念既沒有被大力探索，也沒有被研究。然而，隨著無人機群技術的潛力，允許在站點上放置許多較小的有效載荷，以及攜帶多達100磅的重型無人機系統的進步，許多無人機群可能會有效地壓制火災。使用無人機群而不是傳統的飛機，可能是野火撲滅的下一個巨大進步。執行這項工作的技術正在開發中，然而，目前它既不實用，也無法擴展。

2. 野地火災越來越普遍，破壞性越來越大

野地火災必須作為國土安全問題用廣角鏡頭來看待。許多行動方案可以同時進行，以減少野地火災的頻率、嚴重程度和強度。有必要不把一個解決方案作為解決野地火災問題的萬能藥，而是擁抱創新和技術，以應對減少這些破壞性火災的挑戰。

由于大火對經濟、社會和情感的影響極大，野地火災直接威脅到美國的國土安全。撲滅這些火災的成本在貨幣支出和人力成本方面繼續增加，包括消防員和死于野地火災的市民的生命。國家消防局估計，現在每年用于撲滅野地火災的費用為16億美元。歷史上，有一個指定的 "火災季節"；然而，損失巨大的野地火災發生在一年中的所有月份，導致西部一些州放棄火災季節的概念。

由于野地火災繼續給消防員和生活在城市-野地交界處的人們帶來挑戰，探索更有效和更具成本效益的方法來對抗這些破壞性的火災變得至關重要。人們無法逃避的事實是，全球變暖正在改變森林的易燃性，使其更容易燃燒。這些煤渣干燥的條件造成了由于火勢發展速度太快而導致多人喪生的情況。一個明顯的例子是2018年加利福尼亞州的營地大火，85人喪生，18,804座建筑被燒毀，主要是在火災發生的前五個小時。一個更近的例子是2021年12月30日科羅拉多州丹佛市外的馬歇爾大火，在短短幾個小時內，有兩人喪生，991座建筑被燒毀。這場大火是由干燥的條件和超過每小時90英里的風助長的。加劇這些火災的事實是，在人員、飛機和雇用額外援助的資金方面，打擊這些火災的資源有限。資源的稀缺已經成為一個重要的問題，特別是在火災季節的中心地帶，多個火災正在燃燒并迅速擴大。在過去的幾個火災季節，有的時候根本沒有足夠的資源投入到消防工作中。當這種情況發生時，火災管理人員必須做出艱難的決定，注銷有時數千英畝的土地或數百個房屋。

3. 全球變暖和對荒地的威脅

以前被認為是史無前例的火災和火災行為，現在似乎已經成為每年夏天的常態。全球變暖極大地影響了荒地環境，創造了更熱和更干燥的氣候，使火災持續增長。目前和遺留的關于在何處、如何以及何時滅火的政策增加了美國森林的燃料負荷。森林管理政策需要幾十年才能趕上美國森林目前的燃料負荷。全球變暖和氣候變化倡議可能需要幾十年才能對森林產生積極的影響。根據保險信息協會的數據，2020年美國大約有1010萬英畝的土地被燒毀，美國處于野火高風險或極端風險的房屋共有450萬。

必須承認全球變暖和氣候變化對野外環境的負面影響。全球變暖對森林最重要的影響是干旱和更高的日平均溫度。這些較高的溫度對植被有兩個重大影響。第一是創造較低的長期燃料濕潤度（從燃料中帶走水分）。第二，在環境中造成蒸汽壓力不足（帶走空氣中的水分），使植被更容易著火。11 燃料越干燥，受熱時越容易著火。這兩種氣候變化影響共同作用，使燃料干燥，然后保持干燥。

全球變暖的第二個影響是氣候變化促成的不穩定的天氣模式，在雨季帶來大量的雨水，在夏季帶來更熱和更干燥的條件。雨水在春季促進了輕型植被的生長，增加了總體燃料負荷。當更熱、更干燥的夏季到來時，新生長的植被很容易干燥。這些植被現在已經 "固化"，并準備好攜帶火種，特別是當暴露在風中時。如果該季節的植被沒有燃燒，那么下一個火災季節的燃料量就會增加。全球變暖影響的天氣模式對野地火災產生了指數級的影響，首先是增加了燃料負荷，然后是嚴重干燥的地區，使其更容易發生火災。森林管理政策允許嚴重的灌木叢積累，在森林環境中創造了促進火災更熱、更快、更強烈的條件。

能否準確地界定什么是導致全球變暖和氣候變化對野地火災的具體影響，在未來幾年將繼續吸引公眾的關注。全球變暖的影響每年都隨著美國西部和全球其他地區的大型野火燃燒而顯示出來。這些大火將要求消防管理人員接受有可能限制未來大火增長的技術和政策。莫里茨指出，國家對野火在全球變暖中的作用的理解正在改變。他說，在2003年至2007年期間，在大型野地火災期間，通常問的問題是 "這里該怪誰？" 相反，現在問的問題是："這些火災是由于氣候變化造成的嗎？"也許認識到野火是全球變暖的一個極端結果將影響到對全球氣候變化產生積極影響的政策。

4. 野地環境中航空資產的利用

隨著野地火災的威脅使公民面臨潛在的生命損失，高額的貨幣成本，以及無人機研究的其他領域的新興潛力，探索基于無人機的火災撲滅，在這個時候是有必要的。了解飛機在撲滅野地火災中的作用是至關重要的。使用消防直升機和固定翼飛機已經成為當前整體滅火計劃的一個組成部分，特別是在大型快速移動的野地火災中。一般來說，消防管理人員利用飛機的速度和能力，在火勢擴大為重大火災之前迅速撲滅。很少，如果有的話，飛機能夠完全壓制火災。最終需要地面上的消防員來完全控制野地火災。從本質上講，飛機是用來 "爭取時間"，以便獲得和部署其他消防力量。

然而，使用飛機是一種極其昂貴的救火方法。美國林務局（USFS）按類型和能力確定了飛機的合同費率。在2018年至2021年的合同期內，1型直升機（動力最強，能夠投下最多的水）的合同費率在每飛行小時4000美元至8000美元之間，這取決于飛機類型。固定翼飛機投放緩釋劑的成本可能在每飛行小時7100美元至13500美元之間，不包括緩釋劑成本。美國聯邦調查局在2018年 "約6.07億美元的合同飛機，"包括旋翼和固定翼飛機。在預算緊張的時代，人們必須考慮使用飛機滅火的成本效益。如果使用無人機滅火可以證明成本較低，而且與傳統航空資產一樣有效，甚至比傳統航空資產更有效，那么就應該深入探索無人機的使用。

使用固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機不能在濃煙條件下飛行，天氣事件，夜晚的黑暗，飛行員飛行時間的限制，能夠駕駛這些飛機的人有限且專業，以及在需要維修時無法進入飛機。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。大量的消防員在從事滅火行動時因飛機事故而死亡。在一項回顧性研究中，巴特勒、奧康納和林肯發現，從2000年到2013年，有78名野地消防員的死亡與航空有關，占26.2%。19在這種情況下，高度熟練的消防員和飛行員喪生，他們駕駛的機體通常被摧毀。雖然消防管理人員試圖將消防員和機組人員的風險降至最低，但不幸的是，將男女人員置于危險境地以減緩或阻止野地火災，仍然是一種有效的策略。

在未來幾年，無人機和無人機群可能會取代載人航空資產進行火情識別和直接滅火。由于無人機和無人機群有能力在夜間和多種條件下飛行，而有機組人員的飛機卻不能，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。此外，無人機理論上可以飛行整整24小時，只受制于所需的維護、飛行員的休息要求，以及嚴重到不允許飛行的火災條件。致力于無人機和無人機群可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，并使火災更小、更容易控制。

B. 研究問題

如何將新興的無人機群技術作為野外環境中的一種火災攻擊方法來實施？

C. 方法和研究設計

本論文探討了無人機群如何成為直接滅火行動的一種新方法，即抑制或延緩火勢發展到初期階段，使常規消防部隊有時間在火勢發展到重大荒地火災之前到達、控制和壓制火勢。通過與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究小組一起參與實際的無人機群飛行任務，使用了概念驗證方法。這些飛行為情景研究的有效性提供了依據，這些研究用于開發在荒地環境中實際應用的任務。實際測試告知了部署的可能性，并強調了全面部署前必須解決的問題。此外，我們分析了商業無人機群用戶的當前利用模式，以確定他們的應用與他們可能融入荒地消防行動的關系。

為了說明無人機群直接攻擊火災的潛在價值，本論文利用俄勒岡州西部的蒂拉穆克州森林的一場理論火災。使用50架無人機群和一架單引擎固定翼空中加油機對火災進行 "攻擊"。單引擎空中加油機（SEAT）是傳統上用來攻擊火災的常規飛機。對無人機群和傳統的SEAT飛機攻擊這場火災進行了比較分析。符合國防部建筑框架的系統工程建模軟件Innoslate 4（V 4.5.1.0）被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。為了進行比較，飛行受制于SEAT的一個正常燃料循環。通過對兩種資源所提供的總的消防產品和每加侖的比較成本，對火災攻擊方法進行了比較。這些信息導致了關于使用無人機群作為消防資產的可行性的結論，這些無人機群可以代替傳統的空中消防設備，也可以作為輔助設備。最后，對目前的空中野地滅火方法進行了定量分析，明確地側重于使用常規固定翼飛機與蜂群技術對付理論火災的成本。通過比較分析和實際測試，建立了一個理論部署模型，解決了利益相關者的擔憂和作為商業運作的無人機群行動的潛力。

D. 研究目標

• 檢驗利用無人機群進行野外滅火的可行性。

• 確定如何將無人機群應用于荒地消防工作。

• 識別目前特定于軍事的無人機群應用，這些應用可以適用于荒地消防。

E. 章節概述

這篇論文在很大程度上受到了城市-荒地交界處的消防員個人經驗的影響。第一章討論了這項研究的動機和它的關鍵性。野地消防是一個高度專業化的領域，帶來了自己的語言和行話，所以第二章定義了關于野地消防的背景信息，并介紹了與理解本論文有關的術語。第三章涉及與論文主題和研究問題相關的學術文獻。在第四章中，對比較分析的方法進行了描述和解釋。由于對蜂群技術的研究有限，第四章劃定了分析中的假設和限制。它還主要依靠Innoslate 4系統工程軟件來圖解滅火的過程。本章最后介紹了我們的實驗和建模的結果。第五章討論了傳統的固定翼空中加油機和50架無人機組成的蜂群飛行之間的比較分析結果。從這個比較分析中，設計出了對未來無人機群實施的建議。第六章回顧了這些結論，并建議進行后續研究，以進一步發展無人機群在野外環境中的使用課題。該研究應加強使用無人機群進行直接火力攻擊的可行性。雖然這項技術和研究的實際應用可能要在未來幾年才能實現，但這些發現應該為未來的研究人員提供一個起點。

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。

摘要

兵棋模擬是一種決策工具，可以為利益相關者分析的場景提供定量數據。它們被廣泛用于制定軍事方面的戰術和理論。最近，無人駕駛飛行器（UAVs）已經成為這些模擬中的一個相關元素，因為它們在當代沖突、監視任務以及搜索和救援任務中發揮了突出的作用。例如，容許戰術編隊中的飛機損失，有利于一個中隊在特定戰斗場景中勝利。考慮到無人機的分布可能是這種情況下的決定性因素，無人機在超視距（BVR）作戰中的位置優化在文獻中引起了關注。這項工作旨在考慮敵人的不確定性，如射擊距離和位置，使用六種元啟發法和高保真模擬器來優化無人機的戰術編隊。為紅軍蜂群選擇了一種空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast，作為案例研究。優化的目的是獲得一個藍軍蜂群戰術編隊，以贏得對紅軍蜂群的BVR戰斗。采用了一個確認優化的穩健性程序，將紅軍蜂群的每個無人機的位置從其初始配置上改變到8公里，并使用兵棋方法。進行了戰術分析以確認優化中發現的編隊是否適用。

索引詞：優化方法，計算機模擬，無人駕駛飛行器（UAV），自主智能體，決策支持系統，計算智能。

I. 引言

兵棋是在戰術、作戰或戰略層面上模擬戰爭的分析性游戲，用于分析作戰概念，訓練和準備指揮官和下屬，探索情景，并評估規劃如何影響結果。這些模擬對于制定戰術、戰略和理論解決方案非常有用，為參與者提供了對決策過程和壓力管理的洞察力[1]。

最近，無人駕駛飛行器（UAVs）作為一種新的高科技力量出現了。利用它們來實現空中優勢可能會導致深刻的軍事變革[2]。因此，它們的有效性經常在兵棋中被測試和評估。

由于具有一些性能上的優勢，如增加敏捷性、增加過載耐久性和增加隱身能力，無人機已經逐漸發展起來，并在許多空中任務中取代了有人系統[3]。然而，由于戰斗的動態性質，在視覺范圍之外的空戰中用無人系統取代有人平臺是具有挑戰性的。在空戰中，無人機可以被遠程控制，但由于無人機飛行員對形勢的認識有限，它將在與有人平臺的對抗中處于劣勢。然而，這種限制可以通過自動戰斗機動[4]和戰術編隊的優化來克服。此外，使用無人機可以允許一些戰術編隊和戰略，而這些戰術編隊和戰略在有人駕駛的飛機上是不會被考慮的，例如允許中隊的飛機被擊落，如果它有助于團隊贏得戰斗。文獻中最早的一篇旨在優化超視距（BVR）作戰中的飛機戰術編隊的文章[5]表明，空戰戰術是用遺傳算法（GA）進行優化的候選方案。該實施方案采用分層概念，從小型常規作戰單位建立大型編隊戰術，并從兩架飛機的編隊開始，然后是四架飛機，最后是這些飛機的倍數。在模擬中沒有對導彈發射進行建模。當一架飛機將其對手置于武器交戰區（WEZ）的高殺傷概率（Pkill）區域內一段特定時間，簡化的交戰模擬器就宣布傷亡。事實證明，所提出的方法的應用是有效的，它消除了團隊中所有沒有優化編隊的飛機，并為整個優化編隊的飛機團隊提供了生存空間。

Keshi等人[6]使用了與[5]相同的分層概念，從由兩架飛機組成的元素中構建大型戰術編隊。模擬退火遺傳算法（SAGA）被用來優化編隊，使其能夠克服對局部最優解的收斂。對16架飛機的編隊進行了優化，提出的最優解表明SAGA比基本的GA更有效。最后，為了探索一個穩健的SAGA，對不同的馬爾科夫鏈進行了比較，事實證明自調整馬爾科夫電流更適合所提出的問題。

Junior等人[7]提出使用計算機模擬作為一種解決方案，以確定BVR空戰的最佳戰術，使擊落敵機的概率最大化。在低分辨率下使用通用參數對飛機和導彈進行建模，并改編了名為COMPASS的模擬優化算法，模擬了兩架飛機對一架飛機的BVR戰斗。低分辨率模型假定在水平面的二維空間內有一個均勻的直線運動。使用優化的戰術表明，擊落敵機的平均成功率從16.69%提高到76.85%。 Yang等人[8]提出了一種方法來優化飛機對一組目標的最佳攻擊位置和最佳路徑。該工作考慮到飛機能夠同時為每個目標發射導彈，并將飛機與目標有關的攻擊性和脆弱性因素作為評價攻擊位置的指標。一個高保真模擬被用來模擬每個導彈的飛機、雷達、導彈和WEZ的動態特性。這項工作并沒有解決在BVR戰斗場景中優化一組飛機對另一組飛機的編隊問題。

Li等人[9]提出了一種基于指揮員主觀認識的編隊優化方法，即在空戰中目標設備信息不確定的情況下選擇飛機編隊的問題。首先，計算戰斗機的戰斗力，這是通過指揮員的主觀認識評估目標戰斗力的基礎。戰斗機的戰斗力以能力的形式表現出來，包括攻擊、探測、生存能力、通信、電子戰、預警系統等。因此，通過采用前景理論和綜合模糊評估來優化空戰訓練。最后，一個應用實例證明了該方法在小規模空戰中的可行性。作者聲稱，利用戰斗力評估戰斗情況的能力為優化空戰訓練提供了一種新的方法。

?zpala等人[10]提出了一種在兩個對立小組中使用多個無人駕駛戰斗飛行器（UCAVs）進行空戰的決策方法。首先，確定兩隊中每個智能體的優勢地位。優勢狀態包括角度、距離和速度優勢的加權和。在一個團隊中的每個智能體與對方團隊中的每個智能體進行比較后，每個航空飛行器被分配到一個目標，以獲得其團隊的優勢而不是自己的優勢。為一對對立的團隊實施了一個零和博弈。對許多智能體參與時的混合納什均衡策略提出了一種還原方法。該解決方案基于博弈論方法；因此，該方法在一個數字案例上進行了測試，并證明了其有效性。

Huang等人[11]開發了新的方法來處理UCAV編隊對抗多目標的合作目標分配和路徑規劃（CTAPPP）問題。UCAV的編隊是基于合作決策和控制的。在完成目標偵察后，訓練指揮中心根據戰場環境和作戰任務向每架UCAV快速傳輸任務分配指令。UCAV機動到由其火控系統計算出的最佳位置，發射武器裝備。合作目標分配（CTAP）問題通過增強型粒子群優化（IPSO）、蟻群算法（ACA）和遺傳算法（GA）來解決，并在歸因、精度和搜索速度等方面進行了比較分析。在進化算法的基礎上發展了UCAV多目標編隊的合作路徑規劃（CPPP）問題，其中提供并重新定義了獨特的染色體編碼方法、交叉算子和突變算子，并考慮燃料成本、威脅成本、風險成本和剩余時間成本來規劃合作路徑。

Ma等人[12]開展的工作解決了在BVR作戰場景中優化兩組（R和B）無人機對手之間的優勢地位問題。一個無人機ri∈R對一個無人機bj∈B的優勢是通過ri和bj之間的距離、ri的導彈發射距離的下限和上限、ri的高度和bj的高度之差以及ri的最佳發射高度來估計的。決定性的變量是無人機在兩組中的空間分布和每架飛機在這些組中的目標分配。無人機在三維作戰空間BVR中的可能位置被簡化（離散化），通過立方體的中心位置來表示。每個無人機組都有一組立方體。優化問題被建模為一個零和博弈，并被解決以獲得納什均衡。

Ma等人[12]提出的工作沒有使用高保真模擬來分析無人機空間分布的選擇和分配給它們的目標對BVR作戰的影響。高保真模擬對飛機、雷達、導彈及其導彈的WEZ的動態特性進行建模。這些動態特性也影響到BVR作戰時每架飛機的行動觸發，因此也影響到最終的結果。例如，如果在兩組無人機之間第一次沖突后的時間窗口內考慮高保真BVR作戰模擬，新的沖突可能會發生，直到模擬結束。因此，每個在交戰中幸存的無人機將能夠選擇一個新的目標，這取決于可用目標的優勢值。在[12]中沒有考慮與無人機行為有關的不確定性。有關敵方無人機在戰術編隊中的確切位置及其導彈發射距離的信息是行為不確定性的例子。這兩個信息和上面描述的其他信息在BVR戰斗中是相關的：它們直接影響飛機之間的交戰結果。

在這項研究中，我們試圖解決文獻中發現的一些局限性，如低分辨率模擬、與敵人有關的不確定性的處理以及缺乏對優化解決方案的穩健性的確認，旨在提高兵棋結果的質量。我們的目標是驗證哪些藍色蜂群的戰術編隊可以在BVR戰斗中戰勝紅色蜂群。作為一個案例研究，RED蜂群使用了空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast[13]。為了評估BLUE蜂群解決方案的穩健性，我們解決了新的問題，改變了RED蜂群每架飛機的位置，目的是估計新的RED蜂群編隊對BLUE蜂群的優化戰術編隊的效率的影響。

我們使用自主智能體和高保真計算機模擬來優化BVR戰斗中的無人機戰術編隊，考慮與敵人相關的不確定性，如戰術編隊中的位置誤差和導彈發射距離。統一行為框架（UBF）被采納為創建自主智能體的基礎。飛機和導彈在三維環境中用六個自由度（DoFs）建模。

該程序將在接下來的章節中進一步討論。

無人機群可以在海上、陸地、空中甚至太空中使用，從根本上說是一種依賴信息的武器。迄今為止，還沒有任何研究從信息戰的角度來研究無人機群。本文利用開源研究和定性推理，探討了這些蜂群對信息的依賴性以及由此產生的與信息戰領域--電子、網絡、空間和心理--的聯系。總的來說，文章對這一重要的新興技術如何融入更廣泛的國防生態系統提供了見解，并概述了加強相關信息戰能力的實用方法。

關鍵詞：信息戰、無人機群、無人系統、網絡戰、電子戰

無人機群來了。在以色列2021年與加沙的沖突中，該國軍隊成為第一個在戰斗中部署無人機群的國家。在俄羅斯和烏克蘭正在進行的沖突中，俄羅斯部署了卡拉什尼科夫KUB-BLA游蕩彈藥，據說這種彈藥能夠（或將會）形成蜂群。俄羅斯還擁有一種尚未部署的柳葉刀彈藥，具有創造空中雷區以瞄準無人機和其他飛機的潛在能力。

美國及其盟友和對手正在尋求合作性的無人機群技術。這種追求并不奇怪。無人機群在每個沖突領域的每個軍種都有應用，從步兵支援和后勤到核威懾。整個聯合部隊的軍事領導人必須考慮，隨著技術的成熟和進入戰場，無人機群與現有能力和戰爭形式的關系。這些想法應貫穿于未來的概念、采購決策、演習、訓練、計劃和行動，以考慮到友好和敵對的使用。本文研究了一個更大挑戰：無人機群和信息戰。

盡管無人機群可以在陸地、海上、空中甚至太空中行動，但它們從根本上說是依賴信息的武器。每個蜂群的共同點是需要在無人機之間保持穩定的通信聯系，確保信息得到有效和適當的處理。事實上，蜂群是 "能夠協調其行動以完成共同目標的多個無人駕駛系統"。 蜂群的許多獨特優勢也來自于信息共享。

無人機群的優勢來自三個關鍵領域：機群規模、定制化和多樣性。擁有更多傳感器和彈藥的大型機群能力更強，可以進行大規模攻擊；但是，機群必須處理來自更多無人機的輸入。靈活的蜂群可以增加或刪除無人機以滿足指揮官的需要，可以分成較小的群體，從多個方向攻擊或打擊不同的目標，并在增加或刪除無人機時處理信息輸入的變化。多樣化的機群可以納入不同類型的彈藥和傳感器，并允許緊密結合多領域打擊，增加新類型的信息源，并在無人機以不同的速度和不同的環境風險移動時產生協調挑戰。信息失效意味著碰撞的風險和能力的喪失。

這些能力使信息共享所支持的新型戰術成為可能。正如保羅-沙爾寫道："蜂群將是一種更有效的、動態的、反應迅速的戰斗組織模式。"蜂群可以集中火力攻擊目標，也可以分散和重組以反擊。實現這些壯舉需要高水平的穩定通信。

支持技術也依賴于信息。機器視覺--機器的觀察能力--需要大量的數據來訓練算法。感應器無人機使用這些算法來收集和分享關于敵方防御、可能的目標和環境危害的信息。與單個無人機一樣，蜂群作為一個整體或外部控制系統必須處理在現場收集的大量信息。處理速度會影響蜂群的戰場價值，因為較慢的算法速度意味著較慢的決策速度。雖然蜂群可能不包含機器視覺，但隨著蜂群規模的擴大，人類控制者將面臨類似的挑戰。

信息依賴性意味著必須在信息戰的背景下考慮無人機群。根據美國國會研究服務部的說法，美國政府對信息戰沒有一個正式的定義。實踐者通常將信息戰定義為 "使用和管理信息以追求競爭優勢的戰略，包括進攻和防御行動"。這種戰略包括電子戰、網絡戰和心理戰。也包括空間戰，因為位置、導航、時間信息和基于衛星的通信是無人系統的關鍵信息來源。

當然，注意到信息依賴性并不意味著行為者會成功地認識或利用這種依賴性。盡管俄羅斯軍方早已認識到電子戰在對抗無人機方面的重要性，但在烏克蘭沖突期間，軍方似乎在落實這一知識方面遇到了困難。例如，社交媒體上發布的視頻似乎顯示，烏克蘭無人機在沒有俄羅斯電子戰保護的情況下靠近俄羅斯車輛。俄羅斯軍方和其他國家也可能在網絡、太空和心理戰領域努力實施這種知識。

本文研究了無人機群與信息戰四個方面（電子、網絡、空間和心理）的關系，并探討了人工智能（AI）和機器人技術，它們支持其他領域并影響無人機群的信息戰脆弱性。文章最后提出了政策建議。

電子戰

在巴德學院無人機研究中心對反無人機系統的審查中，電子干擾是最受歡迎的反無人機攔截系統。這種受歡迎程度并不令人驚訝；電子干擾代表了一種潛在的廉價、可重復使用的擊敗無人機的方法，不管是否是蜂群。人類必須向無人機提供任務參數、發射決定，有時還必須進行實際控制。中斷蜂群內的控制和信息共享會擾亂無人機。如果通信中斷，人類就不能設定或修改任務，或指揮打擊或發布撤退命令。無人機群更依賴于通信，特別是電磁波譜上的通信。

盡管無人機可以根據簡單的規則創建蜂群，但通信對于復雜的行為來說是必不可少的，特別是在軍事背景下的蜂群，因為戰場上的地形各不相同，戰斗人員的數量和配置也在變化，而且采用了一系列的戰斗戰術。因此，通信對于防止無人機-蜂群的碰撞以及協調運動和攻擊決策是必要的。如果無人機無法溝通，蜂群就不能作為一個統一的單位運作，不能協調搜索目標，也不能分享成功的識別結果。此外，無人機不能協調攻擊，即一些無人機攻擊一個目標，另一些則攻擊另一個目標。沒有通信，無人機群的價值就會喪失。

電子攻擊可以模仿友軍信號，操縱整個蜂群的通信。例如，據報道，2011年，伊朗通過干擾無人機的通信并操縱全球定位系統迫使其在伊朗降落，從而俘獲了一架洛克希德-馬丁公司的RQ-170 "哨兵 "無人機。如果一個國家允許無人機在沒有人類控制的情況下開火（這絕不是肯定的），對手也可以發送信號，表明對手在一個友好的位置，可能會導致蜂群向該位置開火。

蜂群通信架構--因此，破壞或操縱無人機蜂群的方法--在不同的蜂群中是不同的。蜂群通信通常依賴于電磁波--無線電波（例如Wi-Fi）、紅外線和光學--但聲學信號對于水下無人機可能是必要的，因為電磁信號在水下傳播得不好。因此，頻譜管理對于確保蜂群內部和蜂群之間以及任何控制站的信號是不沖突的非常重要。蜂群控制結構要求將信號傳遞給正確的無人機，如果蜂群中的無人機被禁用或破壞，這將是一個挑戰。

信息在整個蜂群中的傳播方式也可能不同，這可能會影響破壞或維持通信的機制。在集中控制的蜂群中，一個領導者可以協調分配給蜂群中每個成員的任務。在分散控制的蜂群中，無人機與離它們最近的無人機溝通，導致出現成群行為。從理論上講，這種行為消除了全球通信的需要。但是，實現分散控制的簡單算法可能不足以應對復雜、動態的軍事環境。

未來的發展可能會減少蜂群對電磁波譜的依賴。新技術根據不同的物理原理提供通信渠道，如量子通信。另外，無人機可以通過stigmergy間接地協調它們的行動。螞蟻等昆蟲會在潛在的食物來源上留下信息素痕跡，而跟隨的螞蟻如果也找到了食物，也會留下它們的信息素。先進的無人機群可以采用類似的方法。

螞蟻為無人機群提供了另一個教訓：角色的多樣性。蟻群中的螞蟻采用專門的角色，最明顯的是在蟻后和工蟻之間。同樣，蜂群可以納入通信無人機，將可用的機載功率用于加強信號，作為交換通信的備用節點，或使用不同的信號類型來發布撤退命令。無人機群還可以混合集中式和分散式的通信方法，以提高復原力。例如，蜂群可以依靠分散式通信，并有一個備用的集中式通信系統來對抗干擾。這種方法將需要大量的技術開發，以防止兩種通信方式之間的沖突。

隨著無人機群越來越自主，來自群外的基于電磁頻譜的信息就越來越少，對人類輸入的需求減少意味著對一些通信渠道的需求減少。然而，這種自主性是有代價的，那就是操縱或破壞自主系統的新機會。

從理論上講，先進的無人機群可以獨立于外部控制，但政策和技術上的挑戰給自主權設置了上限。美國防部目前的政策不允許無人平臺上的半自主武器在通信功能下降的情況下選擇和攻擊目標，也不允許自主武器在沒有有意義的人類輸入的情況下用致命武力攻擊人類。自主的、復雜的戰略決策，如評估目標對整個戰爭結果的價值，如果沒有通用的人工智能，可能是不可能的，而通用人工智能在短期內不太可能出現。因此，在可預見的未來，將需要一些電子通信。電子戰也越來越與網絡戰聯系在一起。

網絡戰

網絡攻擊可能試圖使無人機群失靈、控制、操縱或滲出信息。蜂群必然擁有單個無人機的所有網絡安全漏洞，包括容易受到反認證攻擊（阻止控制器操作無人機）、代碼注入和代碼更改、利用零日漏洞以及數據外流。更多的無人機也意味著有更多的機會來攻擊系統。

網絡攻擊可以通過反認證攻擊或代碼注入或更改來實現無人機控制系統。使人類控制失靈或改變代碼，使無人機引擎或螺旋槳不能動彈，可能會導致蜂群崩潰。墜落的無人機可能與其他無人機或其他友好資產相撞。禁用傳感器可能導致無人機群盲目飛行，導致碰撞或阻止識別對手的防御系統和其他感興趣的目標。作為一個民用例子，研究人員在2015年7月利用網絡漏洞使一輛吉普切諾基?的剎車失靈。限制無人機的移動為對手提供了戰場優勢。更巧妙的是，網絡攻擊可以利用無人機群的信息處理算法。通過提供不正確的數據、重放攻擊（重復或延遲有效的信息傳輸）、注入惡意的代碼或改變現有的代碼來實現對無人機控制和任務分配算法的簡單操縱，可以造成重大破壞。如果操縱使無人機無法檢測到彼此，它們可能會發生碰撞。如果不能檢測到環境危險，可能會導致崩潰，只需輸入舊的視頻或圖像數據，使蜂群不能 "看到"它前面的建筑物。由于錯誤是不可避免的，增加錯誤風險（但不一定導致錯誤）的代碼修改可能會在很長一段時間內沒有被發現。對手引起的錯誤可能會出現在正常的計算機錯誤中。另外，網絡操縱可能會減緩信息處理、決策或物體識別，使蜂群更容易受到反蜂群防御的影響。算法破壞甚至可能發生在生產過程中。

機器學習和相關技術的進步使對手能夠創建和傳播高度復雜的假圖像和視頻，或利用網絡滲透將其注入數據收集中。假數據可能導致圖像和視頻分析軟件得出錯誤的結論，錯過威脅，或將非戰斗人員作為目標。如果在多個無人系統中使用相同的軟件，對手可能會造成大規模傷害。

最重要的是，對手可以通過改變控制算法的代碼或提供不正確的數據，使無人機群認為一個友好的目標是一個對手，從而將無人機群的能力轉為自己的利益。另外，敵方可以命令蜂群離開受威脅的區域或進入敵方的火力范圍。對手也可能使蜂群安全地進行收集和研究，以獲得關于蜂群能力的獨特情報。對網絡操縱的脆弱性和自主性水平是相互關聯的。

更多的自主性意味著更復雜的計算系統，有更多的利用機會和更大的錯誤風險。具有自主導航、運動或瞄準系統的無人機可以在沒有人類控制的情況下運行，并可以被操縱。同樣，對于更大的、異質的蜂群來說，協調可能更加困難，這提高了災難性失敗的風險。識別滲透在大型蜂群中也更具挑戰性，因為對手可能只攻擊蜂群中的一架無人機。

最后，對手可以通過訪問無人機之間或無人機與控制站之間的通信鏈路或無人機本身的內部控制系統的軟件和固件，尋求從蜂群中滲出數據。這些策略可以讓對手收集關于蜂群位置和活動的情報，以改善防御，從預期的攻擊區域撤退，或酌情準備反措施。通過更好地了解使多架無人機以蜂群形式運作的算法和程序，數據滲出也可能促成更多的破壞性行動。這種理解也將更好地使行動者能夠創建他們自己的蜂群。

空間戰

無人機群通常依靠空間資產進行地理定位，而在地平線上行動的無人機群需要空間資產進行指揮和控制。如果衛星被禁用或摧毀，蜂群可能無法有效運作，或者根本無法運作。然而，最近的技術發展表明，隨著時間的推移，空間領域的依賴性可能會降低，而且信息戰的最有可能的層面不再是無人機群的要求。

許多無人機群依靠全球導航衛星系統（GNSS）來引導它們，GNSS航點可用于定義所遵循的路徑或要避免的區域，識別感興趣的目標（如用于情報收集的對手設施的位置），并引導機群返回發射位置。衛星也可以作為指揮和控制信息的中繼站。

目前，無人機群在相對較短的距離內運行，沒有必要進行衛星通信。隨著技術的發展，無人機群可能在更遠的距離上運行，這些更遠的距離可能需要基于衛星的通信來更新任務目標，給予許可，或提供其他命令。在未來，蜂群中無人機之間的通信甚至可能需要空間資產來覆蓋長距離。

停用或摧毀衛星將使依賴衛星進行地理定位或指揮命令的蜂群無法有效運作。無人機將變得無效，并開始徘徊而不知道該做什么或去哪里。在一個敵對軍事力量主要依賴無人系統的世界里，在大范圍內禁用地理定位可能被證明是毀滅性的。

技術的進步可能減少或可能減輕基于空間的風險。蜂群可以使用外部的全球定位系統節點來幫助定位。一個研究小組使用與全球定位系統相連的浮標，讓水下無人機在不直接進入該系統的情況下定位其位置。一個類似的概念可以通過使用從已知位置（如支持車輛）傳輸的信號來幫助地面或空中車輛進行地理定位。另外，新的導航概念可能會消除對全球導航衛星系統的需求，盡管這些概念在軍事上的成功程度還不清楚。與電子戰一樣，更多的無人機自主性降低了對外部、天基信號的需求。

心理戰

無人機群與心理戰的關系最小。但可能用于傳播宣傳小冊子是個例外，然而，與現有的宣傳手段相比，蜂群似乎沒有什么有意義的優勢。然而，無人機群和更廣泛的自主武器可能會成為錯誤信息、虛假信息和惡意信息的對象，因為全球和公共規范圍繞著機群和自主武器的使用形成。由于擔心對平民的風險和放棄人類控制的道德問題，越來越多的運動正在尋求禁止自主武器。越來越多的人支持這一運動，包括在一些北約成員國。例如，根據2019年1月的益普索民意調查，%的德國人反對使用自主武器。同樣，由于大規模傷亡的可能性和目前機器視覺系統的脆性，武裝的、完全自主的蜂群可能會帶來類似于傳統大規模殺傷性武器的心理影響和風險。"大規模殺傷性武器 "一詞帶有強烈的規范意義，圍繞其使用和擴散的污名。

無論這些公眾運動是否轉化為全球政策的變化，它們都可能為戰略信息行動創造機會，以播種分裂。例如，行為者可能會放大關于使用蜂群和自主武器的說法，以鼓勵內部和伙伴國家反對戰爭努力。反之，行為者可能會對他人進行虛假指控，以達到同樣的效果。核實自主武器是否真正自主的挑戰使得真相與虛構難以區分。無人機群的自主性可能更容易證明，因為一個人有可能控制一個由幾十架無人機組成的小群，但沒有人能夠合理地控制幾千架無人機。駁斥關于無人機群自主使用的錯誤說法則要難得多。

人工智能和機器人技術

人工智能和機器人技術的進步是無人機群所有方面的基礎，并影響到對信息戰的脆弱性和復原力。這些技術的改進可能會導致更好的瞄準算法、蜂群任務分配算法和更大、更復雜的蜂群，也會影響可能被蜂群使用或對抗的電子戰、網絡戰和空間戰系統。在戰場上更多地使用人工智能和機器人技術也可能為心理戰創造更多機會。

機器人和人工智能可以改善進攻性電子戰和網絡戰能力。機器學習可以加強電子戰的目標定位，創造更有效和自動化的網絡攻擊。例如，機器學習可以實現更好的頻譜和功率分配、網絡釣魚檢測、網絡入侵檢測和其他活動。事實上，據報道，中國人民解放軍戰略支援部隊正在將機器學習與網絡戰和電子戰相結合。此外，機器學習的進步可以使用戶通過網絡手段向友好或敵對的數據集添加更好的深度假象。研究人員也在探索使用機器人作為電子攻擊和網絡攻擊的平臺。

人工智能的進步也有可能改善電子、網絡和空間對抗措施。基于人工智能的網絡防御技術為網絡入侵檢測提供了巨大的好處，包括提高準確性、自動響應和吞吐量。另外，機器人系統可以被用來在其他系統退化或被破壞的地方形成一個臨時的通信網絡。例如，Swarm Technologies的SpaceBEE衛星為互聯網連接的設備形成了通信網絡。單個或多個機器人可以作為中間人，支持穩定的通信。

機器人系統非常適合太空戰；它們不需要維持生命的設備，這使它們的成本更低。天基機器人可以用來攻擊對手的衛星或收集信息。多個天基機器人可以操縱空間碎片進入軌道，以打擊對手的衛星或發動分布式的協調攻擊。當然，天基蜂群可能有不同于地面蜂群的技術挑戰，特別是成功的移動和協調。

戰場上更多的人工智能和機器人意味著有更多的機會指責對手違反新生的自主武器規范，因此，有更多的機會發動心理戰。人工智能的改進可能會抵消這種擔憂的一部分。活動家們的一個擔憂是，眾所周知，機器學習是很脆弱的，因為訓練數據可能是有偏見的或不完整的。加強測試和評估、合成數據和數據共享可能會減少風險，并提供反信息的機會。如果不仔細檢查訓練數據，就很難判斷機器學習系統有多強大，甚至不可能。敵人可能會謊稱機器學習系統未經測試且設計不良，導致平民面臨高風險，而反駁這種說法將非常困難，甚至不可能。因此，廣泛部署這些系統可能會導致對違反戰爭法的指控增加。

政策建議

無人機群對信息戰的依賴對軍方的成功行動有幾個影響。

對無人機群和信息戰之間的關系進行更深入的研究是必要的，應該探索信息互動的技術特征，信息環境如何影響戰術使用，以及戰術使用如何影響作戰和戰略環境。一些研究可以進行建模和模擬，以評估不同的無人機群配置對信息攻擊的復原力。模擬和戰爭游戲可以探索無人機群在特定信息相關角色（如電子攻擊）或作為反衛星武器的相對價值。

分析的重點應該是信息競爭在不同類型的沖突中如何變化（同行對同行，同行對近同行，以及不對稱），不同形式的通信對電子攻擊的彈性和無人機群如何適應更廣泛的頻譜分配，以及納入無人機群的新概念以及它們如何與信息戰互動。

友好無人機群的研究和開發必須包括對信息攻擊的加固。蜂群內的通信渠道、信息處理系統以及較遠距離的指揮和控制系統都必須得到保護。某些系統（如物體探測算法）將不針對蜂群。一些有希望的信息加固研究已經開始，如國防高級研究計劃局關于可在GNSS否認的環境中操作的蜂群的工作。無人機群的加固程度應取決于任務以及機群可能面臨的基于信息的攻擊的可能性和類型。

美國還應該對各軍種的信息戰能力進行全面審查。有跡象表明，美國空軍和美國陸軍面臨著電子戰的挑戰，盡管美國海軍沒有。美國陸軍卓越網絡中心的指揮官約翰-莫里森少將直言不諱地說："當涉及到電子戰時，我們的武器不夠用。我們被同行和接近同行的競爭者所淘汰。"最近的報告也描繪了軍事網絡安全的負面形象。2018年10月政府問責局的一份報告 "發現從2012年到2017年，[國防部]測試人員經常在幾乎所有正在開發的武器系統中發現關鍵任務的網絡漏洞。"國防部在招募網絡戰士方面的困難以及硅谷和該部門之間日益擴大的分歧加劇了這一挑戰。 美國在太空也面臨越來越多的反對。國防情報局最近的一份非機密報告發現如下。

• 俄羅斯等的軍事理論表明，他們認為空間對現代戰爭很重要，并將反空間能力視為降低美國和盟國軍事效力的一種手段。俄羅斯等都發展了強大和有能力的空間服務，包括天基情報、監視和偵察......。俄羅斯等都在發展干擾和網絡空間能力、定向能武器、在軌能力和地基反衛星導彈，可以實現一系列可逆轉到不可逆的效果。

該審查應評估軍事信息戰的真實狀況及其與對手發展的一致性，確定改善信息戰能力和組織的具體建議，并為國防工業和知識分子提供一套非保密的建議和指導，說明他們的努力如何能夠支持更廣泛的信息戰活動。

根據審查結果，美國軍方將能夠在研究和發展進攻性信息戰能力（例如，電子干擾和進攻性網絡武器）方面進行有針對性的投資，以擾亂、操縱或以其他方式擊敗可能被用來對付美國軍隊的對手無人機群。這種投資也將有利于未來戰爭的其他方面--從對抗無人系統和依賴信息的戰爭概念到破壞敵方的供應鏈。

相關的能力應該在組織上進行整合，機器人技術、電子戰、網絡戰和太空戰的發展應該為無人機群的獲取、研究和開發、戰爭游戲、概念和理論發展以及相關培訓提供參考。由于無人機群的信息挑戰對每個軍種都是一樣的，因此應盡可能在聯合層面開展活動。更好地整合信息領域的各個組成部分對非蜂群無人系統也是有用的，因為本文的許多分析也適用于它們。

對敵方無人機群和相關信息戰方面的情報收集也很重要。針對無人機群技術操作的情報收集將幫助軍方了解如何操縱或破壞對手的無人機群，并確定秘密行動的機會，如毒害用于機器視覺算法的數據收集。其他明顯的情報收集目標是結合信息戰能力的對手組織（例如，中國人民解放軍的戰略支援部隊）。收集到的信息將有助于軍方了解可能針對美國和戰略伙伴無人機群部署的能力。

在部署無人機群之前，未來的指揮官應評估戰場上的信息戰情況，以告知將使用的機群類型及其組成。例如，指揮官可以包括更多的通信無人機以提高生存能力。應該建立培訓、演習和戰爭游戲，以幫助指揮官發展和行使這種判斷。此外，將信息戰要素納入更廣泛的戰備和訓練活動中，將使指揮官了解失去對信息環境控制的挑戰。指揮官還可以考慮部署反電子戰武器，以支持無人機群在被拒絕的環境中使用。

如果美軍尋求大量使用無人機群，它還必須計劃減輕由此產生的心理戰風險，并采取措施使這些行動更加透明，確保適當的人力控制，前提是這種透明不會給對手帶來好處。例如，美國可以通過將國防部指令3000.09 "武器系統的自主性"下的現有限制變成具有約束力的法律，或通過關于自主武器能力的新的透明度政策，對自主武器采取更有力的限制。這些限制可以伴隨著昂貴的承諾，如投資于自主武器的核查措施。

結論

與其他任何武器系統相比，無人機群更依賴于信息。幾乎每一種與蜂群有關的能力都需要掌握信息流，使蜂群規模擴大，采取復雜的行為，并同時在多個領域運作。然而，這些優勢也構成了一個重要的弱點。癱瘓、破壞或操縱蜂群通信、信息處理和地理定位可以使蜂群喪失能力或被打敗。

沒有任何軍事技術存在于真空中。軍事是一個高度復雜的系統，許多技術領域是相互依存的。高級領導人必須考慮新技術在更廣泛的軍事生態系統中的作用，因為近視和失敗是快速的朋友。

扎卡里-卡倫伯恩

扎卡里-卡倫伯恩是沙爾政策與政府學院的政策研究員，是美國國家恐怖主義與反恐對策研究聯合會非常規武器與技術項目的研究成員，是ABS集團的高級顧問，并被正式宣布為美國軍隊的 "瘋狂科學家"。他是自主武器、無人機群、大規模殺傷性武器和涉及大規模殺傷性武器的恐怖主義方面出版物的作者。